JP7322004B2 - Temperature stabilizer with accelerated response to power supply fluctuations - Google Patents
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Description
本発明は、電源変動に対する装置の過渡応答を加速させて、装置の温度が制御設定値に戻るために必要な期間を短くし、結果として、装置の主な性能パラメータの不所望な過渡変化を小さくする温度安定化電子装置に関する。 The present invention accelerates the transient response of the device to power supply fluctuations, shortening the time required for the temperature of the device to return to its control set point, resulting in undesirable transient changes in key performance parameters of the device. It relates to miniaturized temperature stabilized electronic devices.
多くの電子装置の主な性能パラメータは、多くの場合、周囲温度に依存している。例えば、電子発振器により生成される信号の周波数は、周囲温度、電源電圧、機械的加速度のような複数の外部パラメータに依存し、周波数の不安定性は、周囲温度変化が特に顕著になることに起因している。 A key performance parameter of many electronic devices is often dependent on the ambient temperature. For example, the frequency of the signal generated by an electronic oscillator depends on multiple external parameters such as ambient temperature, supply voltage, and mechanical acceleration, and frequency instability is due to ambient temperature changes being particularly pronounced. are doing.
多くの技術が、周囲温度の変動に対する電子装置の主な性能パラメータの感度を下げるために開発されている。1つのこのような技術が、装置の温度安定化であり、電子装置の感温部分は、温度安定環境に載置されることにより、周囲温度変動の影響を小さくしている。 A number of techniques have been developed to reduce the sensitivity of key performance parameters of electronic devices to variations in ambient temperature. One such technique is device temperature stabilization, where the temperature sensitive portion of an electronic device is placed in a temperature stable environment to reduce the effects of ambient temperature fluctuations.
温度安定化電子装置の1つの例が、オーブン制御電子発振器である。オーブン制御発振器(OCO)では、装置の温度は、普通、装置の最大動作温度よりも数度高く設定される所定のレベルに制御および維持され、その結果、発振器の温度変動が周囲温度の変動と比較して大幅に小さくなり、出力周波数の安定性が向上するようになる。オーブン制御発振器装置(Oven-Controlled Oscillator device)の例は、水晶共振器を備える発振器回路を含むオーブン制御水晶発振器(OCXO)、微小電気機械システム(MEMS)共振器を備える発振器回路を含むオーブン制御MEMS発振器(OCMO)、表面弾性波(SAW)共振器を備える発振器回路を含むオーブン制御SAW発振器(OCSO)などである。 One example of temperature stabilized electronics is an oven controlled electronic oscillator. In an oven controlled oscillator (OCO), the temperature of the equipment is controlled and maintained at a predetermined level, usually set a few degrees above the maximum operating temperature of the equipment, so that the temperature fluctuations of the oscillator match those of the ambient temperature. As a result, the stability of the output frequency is improved. Examples of oven-controlled oscillator devices include oven-controlled crystal oscillators (OCXO), including oscillator circuits with crystal resonators, oven-controlled MEMS, including oscillator circuits with microelectromechanical system (MEMS) resonators. oscillators (OCMO), oven controlled SAW oscillators (OCSO) including oscillator circuits comprising surface acoustic wave (SAW) resonators, and the like.
安定した装置アセンブリ温度を温度安定化装置内で維持するために、閉ループ温度制御技術が装備される場合が多い。図1(先行技術)の図は、このような制御ループの例を提供する。図1に示すように、装置アセンブリ1の温度は温度センサ2により検知され、検知された温度値(「装置アセンブリ温度」)は必要な温度値(「設定値」)と比較され、温度誤差値が、設定値と実際の装置アセンブリ温度値との差として算出され、温度誤差が次に、誤差処理ブロック3で処理され、誤差処理ブロック3の出力で、1つのヒータ4、またはいくつかのヒータ4を制御して温度誤差値を最小限に抑えることにより、装置の温度が設定値により近づくようにする。
Closed-loop temperature control techniques are often implemented to maintain a stable device assembly temperature within the temperature stabilizer. The diagram of FIG. 1 (Prior Art) provides an example of such a control loop. As shown in FIG. 1, the temperature of an
多数の既知の制御アルゴリズムのいずれかの制御アルゴリズムを誤差処理ブロック内で使用することができる。例えば、比例制御アルゴリズムを使用することができ、この制御方法では、誤差処理ブロックの出力(すなわち、ヒータ制御信号)は、温度誤差に比例するように配置され、
SHC=KP
*ΔT (1)
式中、SHCはヒータ制御信号の値であり、KPは比例制御係数(比例ゲインとしても知られている)であり、ΔTは温度誤差値(すなわち、必要な温度「setpoint(設定)」値と装置アセンブリの実際の温度値との差)である。特定の回路形態に応じて、ヒータ制御信号は電圧信号VHCまたは電流信号IHCのいずれかとすることができる。
Any of a number of known control algorithms can be used within the error processing block. For example, a proportional control algorithm can be used, in which the output of the error processing block (i.e., the heater control signal) is arranged to be proportional to the temperature error,
SHC = KP * ΔT (1)
where SHC is the value of the heater control signal, KP is the proportional control factor (also known as proportional gain), and ΔT is the temperature error value (i.e., the desired temperature "setpoint" value and the actual temperature value of the device assembly). Depending on the particular circuit topology, the heater control signal can be either voltage signal V HC or current signal I HC .
表現式(1)から、比例制御アルゴリズムにより、「オフセット」と呼ばれることが多い非ゼロの温度誤差が永続的なものになるということになる。実際、温度誤差がゼロ値になると(すなわち、装置アセンブリ温度が所望の「setpoint(設定)」値に等しくなると)すぐに、ヒータ制御信号SHCの値もゼロになり、これにより今度は、装置アセンブリ温度が、所望の「setpoint(設定)」温度から徐々に外れていく。比例ゲイン値KPが正しく設定され、制御ループが安定しているとした場合、定常状態になって、SHC値およびΔΤ値が安定して非ゼロになる、すなわち永続的な温度「オフセット」が生じる。不所望の「オフセット」をなくす、または少なくとも最小限に抑えるために、比例制御方法を、定数項を制御表現式に追加することにより強化することができ、
SHC=KP
*ΔT+CHC (2)
式中、CHCは追加されたヒータ制御定数項である。
From expression (1) it follows that the proportional control algorithm makes the non-zero temperature error, often called "offset", permanent. In fact, as soon as the temperature error reaches a zero value (i.e., the device assembly temperature equals the desired "setpoint" value), the value of the heater control signal S_HC also goes to zero, which in turn causes the device The assembly temperature drifts away from the desired "setpoint" temperature. Assuming the proportional gain value KP is set correctly and the control loop is stable, steady state is reached and the SHC and ΔT values are stable and non-zero, i.e. a permanent temperature "offset". occurs. To eliminate, or at least minimize, unwanted "offsets," the proportional control method can be enhanced by adding a constant term to the control expression,
SHC = KP * ΔT+ CHC (2)
where CHC is an added heater control constant term.
表現式(2)から、定数制御項CHCで、正しく設定される場合に、オフセット誤差を実際になくすことができるが、当該オフセット誤差の値は、周囲温度の特定の1個の値に関してのみ最適になるということになる。 From expression (2), the constant control term CHC , when set correctly, can actually eliminate the offset error, but the value of the offset error is only for one particular value of ambient temperature. It will be optimal.
追加項を周囲温度の全動作範囲に合わせるために、追加項は温度誤差ΔΤの時間積分として生成することができ、このような制御アルゴリズムは、以下の表現式:
SHC=KP
*ΔT+KI
*∫ΔT*∂t (3)
に従った比例積分(PI)および関数として知られており、式中、KPは比例ゲインであり、
ΔΤは、温度誤差値であり、
KIは積分ゲインであり、
∂tは、時間積分を示している。
To match the additional term to the full operating range of ambient temperature, the additional term can be generated as the time integral of the temperature error ΔT, such a control algorithm can be expressed in the following expression:
SHC = K P * ΔT + K I * ∫ΔT * ∂t (3)
is known as the proportional integral (PI) and function according to where K P is the proportional gain and
ΔT is the temperature error value,
KI is the integral gain,
∂t indicates the time integration.
表現式(3)中の積分処理KI *∫ΔT*∂tで、表現式(2)中の定数項CHCを置き換え、当該積分処理は、温度誤差値ΔTに応じて自動的に調整される項を表わしている。積分処理の積分の性質により、PIコントローラの積分処理は、時間軸で遅くなる、すなわち積分処理が最大効果をもたらすためにかなりの時間を要する。 The integration process K I * ∫ΔT * ∂t in expression (3) replaces the constant term CHC in expression (2), and the integration process is automatically adjusted according to the temperature error value ΔT. It represents a term that Due to the integral nature of the integration process, the PI controller's integration process is slow in time, ie, it takes a significant amount of time for the integration process to have maximum effect.
比例および比例積分の他に、他の既知の制御アルゴリズムを使用して、温度安定化装置のアセンブリ温度を制御することができる。重要な点は、このようなアルゴリズムのいずれかのアルゴリズムにおけるヒータ制御信号SHCが、たった1つの変数-温度誤差:
SHC=f(ΔT) (4)
の関数として生成されることである。
In addition to proportional and proportional integral, other known control algorithms can be used to control the temperature stabilizer assembly temperature. The important point is that the heater control signal SHC in any such algorithm has only one variable - the temperature error:
S HC =f(ΔT) (4)
is generated as a function of
表現式(4)の意味の1つは、制御アルゴリズムが電源レベルの変化を直接には考慮に入れていないことである。これは、温度安定化装置の電源電圧が変化する場合、この変化により、ヒータ(複数可)内で消費される電力量の変化が生じるようになって、装置アセンブリ温度および温度誤差値の変化が生じるようになることを意味している。温度誤差の偏移が温度制御ループにより処理され、結果としての処理が、処理の効果をもたらすように行われるためにかなりの時間を要することになる。PI制御の場合、ΔΤの変化は最終的にではあるが、特定の期間後にのみ補正され、特定の期間は、(a)変化しているΔΤ値を積分器Ki *∫ΔΤ*∂tで積分するために必要な時間、および(b)装置アセンブリが必要な温度を取得するために必要な時間から構成され、期間(b)は、温度安定化装置アセンブリにより提示される熱質量の大きさに依存する。 One implication of expression (4) is that the control algorithm does not directly take into account changes in power supply levels. This is because if the supply voltage of the temperature stabilization device changes, this change causes a change in the amount of power consumed in the heater(s), resulting in a change in device assembly temperature and temperature error values. It means to come into being. It will take a considerable amount of time for the temperature error deviation to be processed by the temperature control loop and the resulting processing to take effect. In the case of PI control, the change in ΔT is finally but only corrected after a certain period of time, during which time (a) the changing ΔT value is corrected by the integrator K i * ∫ΔT * ∂t and (b) the time required for the device assembly to acquire the required temperature, where period (b) is the magnitude of the thermal mass presented by the temperature stabilizer assembly. depends on
電源電圧レベルの変化の別の意味は、ヒータ以外の温度安定化装置の回路内および構成部品内で消費される電力も変化することである。この消費電力は装置アセンブリの加熱にも寄与するので、消費電力の変化により温度誤差が追加されるようになる。この場合も同じく、先行技術による温度安定化装置の温度制御ループは、積分制御処理の性質および装置の熱質量に起因して、この変化を最終的にではあるが、所定期間後にのみ「take care(処理する)」。 Another implication of a change in power supply voltage level is that the power dissipated in the circuits and components of the temperature stabilizer other than the heater also changes. This power consumption also contributes to the heating of the device assembly, so that changes in power consumption add to the temperature error. Again, due to the nature of the integral control process and the thermal mass of the device, the temperature control loop of the prior art temperature stabilization device "take care" of this change, albeit finally, but only after a period of time. (process)”.
本発明の目的は、温度安定化装置の温度を電源電圧変化後に設定値に戻して、温度外乱が温度安定化装置の主な性能パラメータに与える不所望な影響を小さくするために必要な期間を短くすることができる技術を提供することにある、または温度安定化装置の電源電圧変化により生じる過渡的影響を軽減する技術が改善されない場合に代替物を少なくとも提供することにある。例えば、オーブン制御発振器(OCO)装置では、本発明の技術の使用により、電源変動の結果として装置が過渡的温度外乱を受ける時間を短くし、過渡的温度外乱の絶対値を小さくすることができ、これにより、OCO装置により生成される出力周波数の変動を短縮して小さくすることができる。 It is an object of the present invention to reduce the time period required for the temperature of the temperature stabilizer to return to the setpoint after a power supply voltage change to reduce the undesirable effects of temperature disturbances on key performance parameters of the temperature stabilizer. The object is to provide a technique that can be shortened, or at least to provide an alternative if the technique for reducing transient effects caused by power supply voltage changes in the temperature stabilizer is not improved. For example, in an oven controlled oscillator (OCO) system, use of the techniques of the present invention can reduce the amount of time the system experiences transient temperature disturbances as a result of power supply fluctuations, and reduce the absolute value of the transient temperature disturbances. , thereby shortening and reducing the variation in the output frequency produced by the OCO device.
本明細書および特許請求の範囲において使用される「comprising(備える」という用語は、「~の少なくとも一部からなる」を意味している。「comprising(備える」という用語を含む本明細書および特許請求の範囲における各記述を解釈する場合、この用語の後に続く特徴またはそれらの特徴以外の特徴がさらに存在し得る。「comprise(備える)」および「comprises(備える)」のような関連用語は、同じように解釈されるべきである。 As used in this specification and claims, the term "comprising" means "consisting of at least a portion of." When interpreting each statement in the claims, there may be additional features, or features beyond those that follow this term.Related terms such as "comprise" and "comprises" should be interpreted in the same way.
本発明の第1の態様では、本発明は、電源電圧源により給電することができる温度安定化装置を提示し、当該装置は、装置アセンブリを加熱するヒータ回路と、ヒータ制御信号を生成してヒータ回路内で消費される電力量を制御するように配置される温度制御回路と、を備え、ヒータ制御信号は、電源電圧レベルに依存するように構成され、電源電圧レベルの変化に応じて電子的に調整されるように構成される。 In a first aspect of the invention, the invention presents a temperature stabilizing device that can be powered by a mains voltage source, the device comprising a heater circuit for heating the device assembly and generating a heater control signal. a temperature control circuit arranged to control the amount of power consumed in the heater circuit, the heater control signal configured to be dependent on the power supply voltage level, the electronic configured to be dynamically adjusted.
少なくともいくつかの実施形態では、温度制御回路は、ヒータ回路内で消費される電力量を制御して、装置アセンブリ温度を、装置の目的の動作周囲温度範囲の最大±5%以内、より好ましくは最大±1%以内、より好ましくは最大±0.01%以内に維持するように配置される。 In at least some embodiments, the temperature control circuit controls the amount of power consumed in the heater circuit to keep the device assembly temperature within up to ±5% of the device's intended operating ambient temperature range, more preferably It is arranged to be maintained within a maximum of ±1%, more preferably within a maximum of ±0.01%.
少なくともいくつかの実施形態では、ヒータ制御信号は、±10%、より好ましくは±5%、より好ましくは±1%を超えない電源電圧レベルの変化に応じて電子的に調整されるように配置される。 In at least some embodiments, the heater control signal is arranged to be electronically adjusted for changes in the power supply voltage level not exceeding ±10%, more preferably ±5%, more preferably ±1%. be done.
本発明の第2の態様では、上述の温度安定化装置において、電子回路は、ヒータ制御信号を、当該信号がヒータ回路に、またはヒータドライバ回路に印加される前に小さくするように配置される。 In a second aspect of the invention, in the temperature stabilization device described above, the electronic circuit is arranged to reduce the heater control signal before it is applied to the heater circuit or to the heater driver circuit. .
このようなことから、本発明には2つの主要な態様がある。 As such, the present invention has two main aspects.
I.本発明の第1の態様では、オン温度安定化装置の追加回路は、以下の機能:(a)電源電圧レベルを検出すること、および(b)温度誤差値だけでなく、検出される電源電圧値にも依存するヒータ制御信号を生成することを行うように配置される。言い換えれば、本発明の温度安定化デバイスの場合、上の表現式(4)は以下の表現式:
SHC=f(ΔT,VS) (5)
で置き換えられる。
式中、SHCはヒータ制御信号の値であり、
ΔTは温度誤差値であり、
VSは電源電圧値である。
I. In a first aspect of the invention, the additional circuitry of the on-temperature stabilizer has the following functions: (a) to detect the power supply voltage level; and (b) to detect the detected power supply voltage as well as the temperature error value. It is arranged to generate heater control signals that are also value dependent. In other words, for the temperature stabilization device of the present invention, expression (4) above becomes the following expression:
SHC =f(ΔT, Vs ) (5)
be replaced by
where SHC is the value of the heater control signal;
ΔT is the temperature error value,
VS is the power supply voltage value.
ヒータ制御信号を温度誤差および電源電圧の両方の関数として生成する利点は、電源電圧が変化する場合に、ヒータ電力をそれに応じて制御アルゴリズムにより調整して、ヒータ電力量を必要に応じて維持して安定した装置アセンブリ温度を維持し、さらに、ヒータ制御信号調整が電子的に行われるので、当該調整は、電源電圧変化の直後に行われ、温度制御ループが装置温度を必要な設定値にするために必要となったであろう期間にわたって行われるよりもかなり迅速に行われる。表現式(5)に従って生成されるヒータ制御信号は、「power supply compensated(電源補正を行う)」と言うことができる。 An advantage of generating the heater control signal as a function of both temperature error and power supply voltage is that if the power supply voltage changes, the heater power can be adjusted accordingly by the control algorithm to maintain the required amount of heater power. maintains a stable device assembly temperature over the entire temperature range, and further, because heater control signal adjustments are made electronically, such adjustments occur immediately after a power supply voltage change to allow the temperature control loop to bring the device temperature to the desired set point. much more quickly than over the period that would have been necessary to The heater control signal generated according to expression (5) can be said to be "power supply compensated."
II.本発明の第2の態様では、さらに別の追加回路を導入して、電源変化に対する温度安定化装置の過渡応答をさらに加速する。 II. In a second aspect of the invention, yet another additional circuit is introduced to further accelerate the transient response of the temperature stabilizer to power supply changes.
温度安定化電子装置では、電力は、ヒータ(複数可)内だけでなく、装置の他のあらゆる電子回路内および電子部品内でも消費される。例えば、OCO装置では、電力消費は、定電圧回路、発振器回路、出力バッファ回路などにおいても行われる。この内部消費電力により、装置がさらに加熱されるようになる、すなわち装置が、ヒータ(複数可)による加熱に加えて加熱されるようになる。高い周囲温度では、温度依存ヒータ電力が小さくなり、内部消費電力は当該ヒータ電力と同等になるか、または当該ヒータ電力を超えてしまう。 In temperature stabilized electronics, power is dissipated not only in the heater(s), but also in every other electronic circuit and component of the device. For example, in OCO devices, power consumption also occurs in constant voltage circuits, oscillator circuits, output buffer circuits, and the like. This internal power consumption causes the device to heat up further, ie the device is heated in addition to being heated by the heater(s). At high ambient temperatures, the temperature dependent heater power will be small and the internal power consumption will match or exceed the heater power.
電源電圧レベルが変化する場合、ヒータ電力は、かなりの遅れを全く伴うことなく、本発明の第1の態様として説明される技術を使用して調整することができる。しかしながら、内部消費電力変化も生じることになり、このような変化によって生じる温度誤差は、当該温度誤差が、温度制御ループにより、装置の熱質量に関連する遅れを伴いながら、場合によっては、装備される制御アルゴリズムの性質に関連する遅れを伴いながら補正される必要があるので、同じように速くは補正されないことになる。 If the power supply voltage level changes, the heater power can be adjusted without any appreciable delay using the technique described in the first aspect of the invention. However, internal power consumption changes will also occur, and temperature errors caused by such changes are sometimes implemented by the temperature control loop, with delays associated with the thermal mass of the device. It will not be corrected as quickly as it will have to be corrected with a delay associated with the nature of the control algorithm used.
電源電圧の変化に起因する内部消費電力の変化に対する温度安定化装置の応答を加速するために、実施形態では、追加回路を導入して、減算量が内部消費電力量に対応するように少量の電源補正ヒータ制御信号を減算する。これは、図2および図3を参照してさらに説明される。定常状態では、温度安定化装置アセンブリ温度は安定しており、当該装置アセンブリ温度の安定性は、装置アセンブリを加熱して周囲環境に失われる熱を補正することにより実現される。上に説明し、図2に示すように、温度安定化装置の加熱は、電力PH1を消費するヒータにより、および内部消費電力PDにより行われる。
PΣ=PH1+PD (6)
式中、PΣは温度安定化装置を加熱する合計電力であり、
PH1は、ヒータ(複数可)内で消費される電力であり、
PDは内部消費電力である。
To accelerate the response of the temperature stabilizer to changes in internal power consumption due to changes in power supply voltage, embodiments introduce additional circuitry to subtract a small amount of Subtract the power correction heater control signal. This is further explained with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. At steady state, the temperature stabilization device assembly temperature is stable, and the device assembly temperature stability is achieved by heating the device assembly to compensate for the heat lost to the ambient environment. As explained above and shown in FIG. 2, the heating of the temperature stabilizer is provided by a heater consuming power P H1 and by an internal power consumption P D .
PΣ = P H1 + P D (6)
where P Σ is the total power heating the temperature stabilizer,
PH1 is the power consumed in the heater(s);
PD is the internal power consumption.
従来の温度安定化装置では、PH1値およびPD値は共に、電源電圧に依存し、電源電圧が変化する場合、PH1およびPDが共に変化して、温度誤差が温度制御ループにより処理されて、装置の熱質量に起因する所定期間後に、温度制御ループにより最小限に抑えられることになる。 In conventional temperature stabilizers, both the PH1 and PD values are dependent on the power supply voltage, and when the power supply voltage changes, both the PH1 and PD change and the temperature error is handled by the temperature control loop. will be minimized by the temperature control loop after a period of time due to the thermal mass of the device.
本発明の第1の態様に従って実現される温度安定化装置では、電源電圧が変化する場合、ヒータ電力PH1は、本明細書のパートIで説明された追加回路により維持される、すなわちヒータ制御信号SHCは、電源補正され、瞬時に調整されて電源電圧変化を吸収し、ヒータ電力は必要な装置温度を維持するために必要なレベルに維持される。しかしながら、温度安定化装置を加熱する合計電力の他の成分-内部消費電力PD-もまた、電源電圧変化に続いて変化して、温度制御ループにより補正されるための時間を要することになる温度誤差が生じる。電源電圧の変化に対する応答時間をさらに向上させるために、加熱配置は、本発明の第2の態様に従って変更され、図3に示される。 In a temperature stabilization device implemented according to the first aspect of the invention, when the supply voltage changes, the heater power P H1 is maintained by the additional circuitry described in part I of this specification, i.e. the heater control Signal SHC is power supply compensated and adjusts on the fly to accommodate power supply voltage changes and heater power is maintained at the level required to maintain the required device temperature. However, another component of the total power heating the temperature stabilizer--the internal power consumption P D --will also change following supply voltage changes and take time to be corrected by the temperature control loop. A temperature error occurs. To further improve the response time to changes in power supply voltage, the heating arrangement is modified according to the second aspect of the invention and shown in FIG.
この配置では、少量の電源補正ヒータ制御信号を、当該信号がヒータ(複数可)に、またはヒータドライバ回路に印加される前に、減算量が内部消費電力PDの量に対応するように減算する。これは、ヒータ制御ループに、あたかも当該ヒータ制御ループが内部消費電力も制御しているように提示され、これにより、本発明のパートIで説明した技術で、電源変化に関する内部消費電力を瞬時に補正することができる。 In this arrangement, a small amount of power supply correction heater control signal is subtracted before the signal is applied to the heater(s) or to the heater driver circuit, such that the amount of subtraction corresponds to the amount of internal power dissipation PD . do. This is presented to the heater control loop as if the heater control loop also controls the internal power consumption, thereby instantaneously adjusting the internal power consumption on power supply changes with the technique described in Part I of this invention. can be corrected.
コンセプトの説明を簡単にするために、ヒータ制御信号の減算量が内部消費電力PDの量に対応すると仮定すると、図3に示す装置内の合計加熱電力は以下の表現式:
PΣ=(PH2-PD)+PD (7)
で表わされる。
安定したOCOの温度を維持するために必要な電力の合計量は、図2および図3に示される配置におけるものと同じであるので、以下の表現式がなり立つ:
PH1+PD=(PH2-PD)+PD (8)
これは、
PH2=PH1+PD (9)
を意味している。
For simplicity of concept description, assuming that the amount of heater control signal subtraction corresponds to the amount of internal power consumption P D , the total heating power in the device shown in FIG.
P Σ = (P H2 - P D ) + P D (7)
is represented by
Since the total amount of power required to maintain a stable OCO temperature is the same as in the arrangements shown in FIGS. 2 and 3, the following expressions hold:
P H1 +P D =(P H2 −P D )+P D (8)
this is,
P H2 =P H1 +P D (9)
means
このようなことから、図3の配置では、および本発明の第2の態様によれば、少量の電源補正ヒータ制御信号を、当該制御信号がヒータ(複数可)に、またはヒータドライバ回路に印加される前に減算することにより、制御ループにより要求されるヒータ電力が増加するようになり、制御ループ要求は、本発明の第1の態様として開示される技術を使用して生成されるので、温度安定化装置内の合計加熱電力は、電源変化に関して電子的に補正され、このような変化に対して、従来の温度安定化装置よりもかなり迅速に反応するようになる。 As such, the arrangement of FIG. 3, and in accordance with the second aspect of the present invention, provides a small amount of power supply correction heater control signal that is applied to the heater(s) or to the heater driver circuit. By subtracting before , the heater power demanded by the control loop is increased, and since the control loop demand is generated using the technique disclosed as the first aspect of the invention, The total heating power within the temperature stabilizer is electronically compensated for power supply changes and reacts to such changes much more quickly than conventional temperature stabilizers.
本発明の第2の態様のより詳細な説明が、オーブン制御発振器(OCO)装置に適用されるものとして以下に提示される。 A more detailed description of the second aspect of the invention is presented below as applied to an oven controlled oscillator (OCO) device.
多くの最新のOCO装置は、一定の電圧に調整されていない外部供給電源電圧よりも高い安定性で特徴付けられる電源電圧を生成する電圧レギュレータ回路を備える。 Many modern OCO devices comprise a voltage regulator circuit that produces a power supply voltage that is characterized by a higher stability than an externally supplied power supply voltage that is not regulated to a constant voltage.
OCOアセンブリ内で消費される合計電力PΣはOCOのヒータ(複数可)内で消費される電力PH1およびOCOの内部にある他の全ての回路内で消費される電力PDの総計である。
PΣ=PH1+PD
The total power PΣ dissipated in the OCO assembly is the sum of the power P H1 dissipated in the heater(s) of the OCO and the power P D dissipated in all other circuits internal to the OCO. .
P Σ = P H1 + P D
内部消費電力PDは、内部定電圧調整電源から給電され、定電圧調整電源電流Irを引き出す回路により消費される電力、および一定の電圧に調整されていない電源の電流Iurを引き出す一定の電圧に調整されていない電源から給電される回路により消費される電力に分けることができる。電流Irは、当該電流が、内部定電圧電源で動作する回路により引き出されるので、外部電源電圧Vに依存しないのに対し、(普通はかなり小さい)電流Iurは、当該電流が、一定の電圧に調整されていない外部電源に直接接続される回路により引き出されるので、電源電圧Vとともに変化する-したがって、電流Iurは、以下の表現式中のVの関数であることが示される。
PD=Ir
*V+Iur(V)*V
The internal power consumption P D is defined as the power consumed by circuits powered by the internal constant voltage regulated power supply and drawing the constant voltage regulated power supply current Ir , and the constant power supply drawing the current Iur of the power supply not regulated to a constant voltage It can be divided into the power consumed by circuits powered by a power supply that is not regulated to voltage. The current I r is independent of the external supply voltage V, as it is drawn by a circuit operating on an internal constant voltage supply, whereas the (usually much smaller) current I ur is a constant Since it is drawn by a circuit directly connected to an external power supply that is not voltage regulated, it varies with the supply voltage V--thus, the current I ur is shown to be a function of V in the expression below.
P D = Ir * V+ Iur (V) * V
同様に、ヒータ電力は、ヒータ電流IHCおよび電圧の項で表わすことができ、
PH1=IHC
*V
式中、IHCは、本発明の第1の態様に従って、例えば電源電圧Vに反比例するように生成され、以下の表現式で記述することができる。
PH1 = IHC * V
where IHC is generated according to the first aspect of the present invention to be inversely proportional to the power supply voltage V, for example, and can be described by the following expression.
上の表現式では、ΔTは温度誤差信号であり、TGは、誤差処理段の温度センサゲインであり、IH/Vは、本明細書のパートIに従って生成される電源補正ヒータ制御信号であり、CGはヒータドライバ回路の電流ゲインである。 In the above expression, ΔT is the temperature error signal, TG is the temperature sensor gain of the error processing stage, and IH /V is the power supply correction heater control signal generated according to Part I of this specification. and CG is the current gain of the heater driver circuit.
本発明の第2の態様によれば、少量のヒータ制御信号を、当該ヒータ制御信号がヒータドライバ回路に印加される前に減算する。
この余剰電流ICは、合計電力容量に吸収されるので、一定の電流に調整される電流IrはIcだけ増加してIr1になる:
Ir1=Ir+IC
This surplus current Ic is absorbed in the total power capacity, so the constant current regulated current Ir is increased by Ic to Ir1 :
I r1 =I r +I C
新規のヒータ電力PH2は以下のように表わされ、
新規合計電力PΣはしたがって、PH2およびPD1の合計になる。
後出の表現式から、以下に示すように、Icを特定の値に等しくする場合、括弧{}内の項はゼロになろうとし、合計電力PΣは、電源電圧に大きく依存することがなく、パートIの技術を単独で適用するよりも大きい程度に依存することがない。したがって、アセンブリは、電源電圧変動に、熱制御ループが当該変動を補正することができる場合よりも迅速に応答する。この技術に必要なICの最適値は以下のとおりである。
この技術を最良に駆使する場合、電流IurがIrよりもずっと小さい必要があり、これは普通、良好に設計されたOCO装置に当てはまる。また、合計電力消費を可能な限り小さく抑えるために、ヒータドライブ回路の電流ゲインCGは大きい必要がある、例えば30よりも大きい必要がある。 For the best use of this technique, the current I ur should be much smaller than I r , which is usually the case for well-designed OCO devices. Also, in order to keep the total power consumption as low as possible, the current gain CG of the heater drive circuit should be large, eg greater than 30.
本発明は、添付の図面を参照してさらに説明される。 The invention will be further described with reference to the accompanying drawings.
図4は、本発明の第1の態様を組み込んだ温度安定化装置の実施形態を示している。装置アセンブリ温度は、温度センサ1を使用して検出され、必要な装置アセンブリ温度(「setpoint(設定値)」)と比較されて、誤差処理ブロック2の入力である温度誤差値を算出する。このブロックは、本明細書において前に説明したように、ヒータ制御信号を、選択した制御制御アルゴリズムに従って生成する。従来の温度安定化装置では、ヒータ制御信号は、ヒータ(複数可)のドライバ回路に接続されるのに対し、本発明の装置では、追加回路-電源補正回路3-を導入してヒータ制御信号を生成し、ヒータ制御信号は、電源電圧のレベルの変化に関して調整されるので、電源電圧のレベルに依存している。したがって、後者-VSUPPLY-は、図4に示すように、電源補正ブロック3に必要な第2の入力である。このようなことから、点4で結果として得られる電源補正ヒータ制御信号は、温度誤差の現在値および電源電圧の現在値の両方の関数である。
FIG. 4 shows an embodiment of a temperature stabilization device incorporating the first aspect of the invention. The device assembly temperature is sensed using
点4における電源補正ヒータ制御信号は、ヒータ(複数可)のドライバ回路5の入力として接続され、ドライバ回路5は、ヒータ(複数可)6を駆動して、装置アセンブリ7の安定した温度を制御および維持する。
The power supply correction heater control signal at
ヒータ制御信号4は、電源レベルのどのような変化に関しても継続的に調整されて(この調整では、定電圧調整が非常に短い間隔で、例えば30msごとに行われる)、このような変化に、本発明の温度安定化装置が、従来の温度安定化装置におけるよりもかなり迅速に応答する。
The
電源補正回路を搭載する1つの方法では、電源補正回路を乗算器回路として搭載して、乗算器回路が、誤差処理ブロックの出力の信号と、電源電圧とともに直線的に小さくなる信号の積を生成するようにする。言い換えれば、1つの実施態様では、電源検出回路の出力に、加熱要求信号を乗算し、結果として得られる信号を使用して加熱装置を駆動する。 One method of implementing the power supply correction circuit is to implement the power supply correction circuit as a multiplier circuit that produces a product of the signal at the output of the error processing block and a signal that decreases linearly with the power supply voltage. make sure to In other words, in one embodiment, the output of the power detection circuit is multiplied by the heat demand signal and the resulting signal is used to drive the heating device.
電源検出回路の1つの実施態様が図5に示されている。当該回路は、バイポーラトランジスタQref、Q0およびQ1、サイズ比がMのNMOSトランジスタM0およびM1、電流源Iref、および電流l0およびl1がこれらの抵抗を流れるエミッタ抵抗R0およびR1により構成される。VREG、VUREG、およびVREFは、回路により使用される一定の電圧に調整された電圧、一定の電圧に調整されていない電圧、および基準電圧であるのに対し、IOUTは回路により生成される電源検出信号である。Qref、Q0およびQ1は、基準電圧と同じ電圧がQ0およびQ1のエミッタに現われて、これらの点の電圧をほぼ一定にするように構成される。定電圧調整されていない電源電圧が変化すると、電流I0も変化する。定電圧調整されていない電源電圧が増加すると電流I0が増加し、定電圧調整されていない電源電圧が減少すると電流I0が減少する。電流ゲインがMのカレントミラー(M0およびM1を含む)は、I0をM倍した電流を電流I1から減算する。この差分が、電源電圧依存信号を表わす出力電流信号(IOUT)である。 One embodiment of the power detection circuit is shown in FIG. The circuit consists of bipolar transistors Qref, Q0 and Q1, NMOS transistors M0 and M1 with size ratio M, a current source Iref and emitter resistors R0 and R1 through which currents l0 and l1 flow. V REG , V UREG , and V REF are the regulated, unregulated, and reference voltages used by the circuit, while IOUT is the voltage generated by the circuit. is a power supply detection signal. Qref, Q0 and Q1 are configured so that the same voltage as the reference voltage appears at the emitters of Q0 and Q1, making the voltage at these points approximately constant. As the non-regulated supply voltage changes, the current I0 also changes. Current I0 increases when the non-regulated power supply voltage increases, and current I0 decreases when the non-regulated power supply voltage decreases. A current mirror (including M0 and M1) with a current gain of M subtracts M times I0 from the current I1. This difference is the output current signal (IOUT) representing the power supply voltage dependent signal.
加熱電力は以下のとおりに表わすことができる。
Power=Vvureg×Iout
Heating power can be expressed as:
Power=V vureg ×I out
この回路では、
Vreg=Vref×2
Iout=I1-M×I0
V reg =V ref ×2
I out =I 1 -M×I 0
ここで、加熱電力は以下のとおりに表わすことができる。
電源電圧変動に対する加熱電力の最小感度は、次式:
したがって、
therefore,
R0およびR1の値が与えられる場合のMの最適値は以下のとおりである。
このようなことから、抵抗R0の値を変更することにより、図6に示すように、電源電圧が任意に与えられる場合のヒータ電源感度を最小限に抑えることができ、温度制御勾配(℃/V単位)は、抵抗値の関数としてプロットされ、最適な抵抗値は水平軸を横切るプロットの近傍にある(すなわち、電源変動に対する感度がゼロに近い箇所)。あるいは、Mの値を変更して、R0およびR1の値が与えられる場合の最適な電源感度を取得することができる。本発明の実施形態では、Mの値およびR0/R1比の値は、同時に選択することができる。 For this reason, by changing the value of the resistor R0 , the heater power supply sensitivity can be minimized when the power supply voltage is given arbitrarily, as shown in FIG. /V) is plotted as a function of resistance, with the optimum resistance near the plot across the horizontal axis (ie, where the sensitivity to power supply variations is near zero). Alternatively, the value of M can be changed to obtain the optimum source sensitivity given the values of R0 and R1. In embodiments of the present invention, the value of M and the value of R0/R1 ratio can be selected simultaneously.
電源依存ヒータ制御信号を生成する全回路を搭載する実施形態が図7に示されている。この回路は、図5に示す電源検出回路と、前に説明した温度誤差処理回路により生成される電源検出信号IOUTおよびHEATER DEMAND信号(HEATER REFERENCE信号と一緒に使用される)の積を生成する追加回路と、により構成される。追加回路は、NPNトランジスタQ2、Q3、Q10~Q17、抵抗R6およびR7、ならびに電流源I3およびI4により構成される。この回路では、HEATER REFERENCEおよびHEATER DEMANDは差動ペアQ2、Q3に供給され、電流は電流源I3、I4により設定され、動作状態はR7、Q17およびQ18により設定される。次に、差分信号がQ2およびQ3からQ11およびQ10に供給され、Q11およびQ10は、電源検出回路からの電流IOUTを差分信号に応じて分割する。Q12およびQ13はカレントミラーとして機能して、Q10およびQ11の電流の差分が後段のカレントミラーQ14およびQ15に供給されて最終出力電流を生成することにより、電源補正ヒータ信号を生成してヒータ制御信号として使用して、装置のヒータで消費される電力を制御する。 An embodiment incorporating all circuitry for generating power dependent heater control signals is shown in FIG. This circuit is an addition that produces the product of the power sense circuit shown in FIG. 5 and the power sense signal IOUT generated by the previously described temperature error processing circuit and the HEATER DEMAND signal (used together with the HEATER REFERENCE signal). and a circuit. Additional circuitry consists of NPN transistors Q2, Q3, Q10-Q17, resistors R6 and R7, and current sources I3 and I4. In this circuit, HEATER REFERENCE and HEATER DEMAND are fed into differential pair Q2, Q3, the current is set by current sources I3, I4, and the operating state is set by R7, Q17 and Q18. A differential signal is then provided from Q2 and Q3 to Q11 and Q10, which divide the current IOUT from the power detection circuit according to the differential signal. Q12 and Q13 function as a current mirror, and the difference between the currents of Q10 and Q11 is supplied to the subsequent current mirrors Q14 and Q15 to generate the final output current, thereby generating power supply correction heater signals and heater control signals. to control the power consumed by the device's heater.
図8は、本発明の第1および第2の態様の両方を組み込んだ温度安定化装置の実施形態を示している。図4に示す装置構造と比較して、および装置構造に加えて、追加回路8「heater control signal subtraction(ヒータ制御信号減算)」が導入されて、電源補正ヒータ制御信号の小部分を減算する。本明細書において前に説明したように、これは、ヒータ制御ループに対して、ヒータ制御ループがあたかも、内部消費電力も制御しているかのように提示され、これにより、本発明の第1の態様の電源補正技術で、電源変化に関する内部消費電力を瞬時に、またはほぼ瞬時に補正することができる。
FIG. 8 shows an embodiment of a temperature stabilization device incorporating both the first and second aspects of the invention. Compared to and in addition to the device structure shown in FIG. 4, an
電流減算機能を搭載する1つの方法では、図9に示すように、設定可能な量の電流を電源補正ヒータから流し出す簡単なプログラム可能な電流源を追加する。 One way to implement the current subtraction function is to add a simple programmable current source that draws a settable amount of current from the power compensation heater, as shown in FIG.
ヒータドライバおよびヒータ回路を搭載する例が図10に示されており、ヒータ制御電流Iheatは、68対1のサイズ比を持つ2つのNMOSトランジスタで形成されるカレントミラーで68倍され、より大きなトランジスタが装置アセンブリのヒータとして使用される。 An example of mounting a heater driver and heater circuit is shown in FIG. 10, where the heater control current Iheat is multiplied by 68 with a current mirror formed by two NMOS transistors with a size ratio of 68 to 1 and a larger transistor. is used as the heater for the device assembly.
図10に示す回路にヒータ制御信号(電流)減算回路を追加する例が図11に示されており、減算回路は「Current Sink Module(電流シンクモジュール)」とラベル付けされ、端子Irefは減算回路により使用される基準電流を受け入れ、端子Iselectは、2値信号を伝送して正しい量のヒータ制御信号(電流)を選択して減算し、減算後の電流がIa端子を介して回路の基準接地に流れ込む。 An example of adding a heater control signal (current) subtraction circuit to the circuit shown in FIG. 10 is shown in FIG. terminal Iselect carries a binary signal to select and subtract the correct amount of heater control signal (current), the current after subtraction being sent to the circuit's reference ground through the Ia terminal. flow into.
Current Sink Module(電流シンクモジュール)の実施形態の例が図12に示されている。この回路では、基準電流IrefはトランジスタN1からトランジスタN2、N3、N4に1、2、および4倍の割合でミラーリングされる。スイッチS1、S2、およびS3は、Iselectバスの信号により制御されて、2進重み付き値の基準電流を0~7回、端子Iaを介して流し出す。 An example embodiment of a Current Sink Module is shown in FIG. In this circuit, the reference current Iref is mirrored from transistor N1 to transistors N2, N3 and N4 at a rate of 1, 2 and 4 times. Switches S1, S2, and S3 are controlled by signals on the Iselect bus to source a binary weighted value reference current 0-7 times through terminal Ia.
図13~図16は、本発明の技術を利用することにより得られる性能上の利点を示している。図13および図14は、電源電圧変化に対する従来のOCXOの測定過渡応答を示している。図13は、5%の電源電圧上昇に続く過渡出力周波数変化を示しており、図13に示されているように、周波数は電源電圧の変化の結果として不安定になり、過渡外乱は落ち着くのに30秒以上を要し、12ppbのピークツーピーク周波数偏移が過渡応答中に生じる。電源電圧が5%降下すると、図14に示すように、同様の大きさ、および時間長の過渡的な出力周波数変化が生じる。 Figures 13-16 illustrate the performance benefits obtained by utilizing the techniques of the present invention. 13 and 14 show the measured transient response of a conventional OCXO to power supply voltage changes. FIG. 13 shows the transient output frequency change following a 5% supply voltage rise, the frequency destabilizing as a result of the supply voltage change and the transient disturbances settling as shown in FIG. takes more than 30 seconds, and a peak-to-peak frequency shift of 12 ppb occurs during the transient response. A 5% drop in the power supply voltage causes a transient output frequency change of similar magnitude and duration, as shown in FIG.
本発明の1つの実施形態を含むOCXO装置は、電源電圧の階段状変化に対して著しく加速された応答を示している。図15に示すように、本発明のOCXOにおける電源電圧の上昇に対する過渡出力周波数応答は、1秒未満にわたって生じ、従来のOCXOの偏移と比較して大きな周波数偏移を全く伴わない。本発明のOCXO装置は、図16に示すように、5%の電源電圧降下に対して、有意な周波数偏移が全くない同様に短い過渡応答を示している。 An OCXO device that includes one embodiment of the present invention exhibits significantly accelerated response to step changes in power supply voltage. As shown in FIG. 15, the transient output frequency response to an increase in supply voltage in the OCXO of the present invention occurs over less than one second without any significant frequency shift compared to that of the conventional OCXO. The OCXO device of the present invention exhibits similarly short transient response with no significant frequency shift for a 5% supply voltage drop, as shown in FIG.
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