KR100666095B1 - Semiconductor ovenlized temperature compensated crystal oscillator - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 반도체 가열소자를 이용한 온도보상형 수정발진기(SOTCXO)는 수정진동편(9)의 온도특성 보상을 위해 구비된 IC의 자체발열을 활용함과 동시에, 별도의 발열IC를 상기 IC와 동일 칩상에 구현하여 원칩 IC(10)를 형성하고, 상기 수정진동편(9)과 원칩 IC(10)를 일정이내의 간격으로 인접시켜 초소형 항온조를 형성함으로써 소형·저전력·고 주파수안정도를 만족하는 수정발진기를 구현할 수 있는 효과가 있다. The temperature compensated crystal oscillator (SOTCXO) using the semiconductor heating element according to the present invention utilizes the self-heating of the IC provided to compensate for the temperature characteristic of the crystal oscillation piece 9, and separates the heating IC from the IC. Implement on the same chip to form a one-chip IC (10), and close the crystal oscillation piece (9) and the one-chip IC (10) within a predetermined interval to form a small thermostat to satisfy the small size, low power, high frequency stability There is an effect that can implement a crystal oscillator.
또한, 본 발명에 의한 SOTCXO에서는 TCXO의 주파수 안정도를 100배 이상 개선하여 기존 OCXO수준의 높은 주파수안정도를 나타냄으로써, 통신계측기와 통신기지국, 중계기 및 GPS등에 기준주파수원으로 사용되던 OCXO를 대체할 수 있으며, 그 물리적인 크기와 전력소모가 TCXO 수준으로 축소되므로 휴대폰, 무선 휴대단말기, PDA, Mobile 기기, WLAN, 불루투스, 홈넷트워크, 휴대형 게임기, 고속도로의 무인요금 징수기 등 각종 무선기기의 정밀 안정주파수원으로 활용되는 TCXO를 대체할 수 있는 효과가 있다. In addition, the SOTCXO according to the present invention improves the frequency stability of the TCXO by more than 100 times, indicating high frequency stability of the existing OCXO level, and can replace the OCXO used as a reference frequency source for communication instrumentation, communication base station, repeater, and GPS. The physical size and power consumption are reduced to the TCXO level, so the precise stable frequency of various wireless devices such as mobile phones, wireless handheld terminals, PDAs, mobile devices, WLAN, Bluetooth, home networks, portable game consoles, unmanned toll collectors on highways, etc. It has the effect of replacing TCXO used as a source.
또한, 본 발명에서 제안된 반도체 장션의 온도제어를 통한 반도체 발열소자는 초소형 항온조의 설계제작을 현실화시킴으로써 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 제품의 기반기술로 활용될 수도 있다.In addition, the semiconductor heating element through the temperature control of the semiconductor section proposed in the present invention may be utilized as the base technology of the MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) product by realizing the design and manufacture of the micro-temperature chamber.
발진소자, 수정발진기, 항온조수정발진기, TCXO, OCXO Oscillator, Crystal Oscillator, Constant Temperature Crystal Oscillator, TCXO, OCXO
Description
도 1은 본 발명에 의한 반도체 가열소자를 이용한 온도보상형 수정발진기의 블록구성도,1 is a block diagram of a temperature compensation crystal oscillator using a semiconductor heating element according to the present invention;
도 2는 본 발명의 일 실시례로서, 원칩 IC의 회로동작을 개략적으로 나타내는 블록구성도,2 is a block diagram schematically illustrating a circuit operation of a one-chip IC as an embodiment of the present invention;
도 3a, 3b는 본 발명에 의한 반도체 가열소자를 이용한 온도보상형 수정발진기의 측단면도 및 평면도,3A and 3B are a cross-sectional side view and a plan view of a temperature compensation crystal oscillator using a semiconductor heating element according to the present invention;
도 3c는 도 3a의 수정발진기의 상측에 리드가 결합된 것을 도시한 측단면도,Figure 3c is a side cross-sectional view showing that the lead is coupled to the upper side of the crystal oscillator of Figure 3a,
도 4는 본 발명의 수정발진기를 이루는 다층구조를 개략적으로 나타내는 평면모식도 및 측면모식도,4 is a schematic plan view and a side view schematically showing a multilayer structure constituting the crystal oscillator of the present invention;
도 5는 본 발명의 일 실시례로서, 팩키지 내측에 각 구성요소가 삽입설치되는 것을 개략적으로 나타내는 분해사시도,5 is an exploded perspective view schematically showing that each component is inserted into the package as an embodiment of the present invention;
<도면 중 주요부호에 대한 간단한 설명><Brief description of the major symbols in the drawings>
1: 제1레이어 2: 제2레이어1:
3: 제3레이어 4: 제4레이어3:
5, 6: 범프 7: 테스트 접촉부5, 6: bump 7: test contacts
8: 리드 9: 수정진동편8: Lead 9: Crystal Oscillation
10: 원칩 IC 11: 팩키지10: One-chip IC 11: Package
20: 메모리 30: 온도보상부20: memory 30: temperature compensator
40: 발열소자부 50: 발열제어회로40: heating element 50: heating control circuit
51: 온도센서 52: 기준온도발생장치51: temperature sensor 52: reference temperature generator
53: PI 제어기 54: 능동영역동작판단회로53: PI controller 54: active area operation decision circuit
55: 프로그램셋팅회로 56: 캐패시터 어레이 스위치55: program setting circuit 56: capacitor array switch
57: 메인 캐패시터 어레이 58: 전압안정화회로57: main capacitor array 58: voltage stabilization circuit
60: 보조조정회로 61: A/D 변환기60: auxiliary adjustment circuit 61: A / D converter
62: 마이크로 콘트롤러 63: 보조 캐패시터 어레이62: microcontroller 63: auxiliary capacitor array
70: 오실레이터회로 70: oscillator circuit
본 발명은 수정진동편을 이용한 온도보상형 수정발진기에 관한 것으로서, 특히 수정진동편의 온도특성 보상을 위해 구비된 IC와, 별도의 발열전용IC를 동일 칩(원칩 IC)상에 구현하고, 상기 수정진동편과 원칩 IC를 일정이내의 간격으로 인접시켜 초소형 항온조를 형성함으로써, 온도특성이 보상된 반도체 가열소자를 이용한 온도보상형 수정발진기에 관한 것이다. The present invention relates to a temperature compensated crystal oscillator using a quartz crystal oscillation, in particular an IC provided to compensate for the temperature characteristics of the quartz crystal oscillation, and a separate heat generating IC on the same chip (one chip IC), the crystal The present invention relates to a temperature compensated crystal oscillator using a semiconductor heating element whose temperature characteristics are compensated by forming an ultra-small thermostat with adjacent vibrating pieces and one-chip ICs within a predetermined interval.
일반적으로 수정진동편을 이용한 수정발진기는 이동통신단말기간 신호의 전송 및 수신을 제어하기 위해 발진주파수를 생성하는 필수적 부품이다.In general, a crystal oscillator using a crystal oscillator is an essential component for generating an oscillation frequency to control the transmission and reception of a signal of a mobile communication terminal.
그러나, 상기 수정발진기는 주위 온도에 따라 발진주파수가 변동되는 온도특성이 있었으며, 상기 온도특성에 따른 주파수변동을 보상하기 위해 개발된 제품이 온도보상형 수정발진기(Temperature Compensated Crystal Oscillator ; 이하 'TCXO'라 함)이다.However, the crystal oscillator had a temperature characteristic in which the oscillation frequency was changed according to the ambient temperature, and a product developed to compensate for the frequency variation according to the temperature characteristic was a temperature compensated crystal oscillator (hereinafter referred to as 'TCXO'). Is called).
상기 TCXO는 온도특성을 제어하기 위해 온도보상회로를 구비하고 있는데, 상기 온도보상회로(도시되지 않음)는 일반적으로 써미스터의 저항값 변화를 이용한 온도검출회로(도시되지 않음)와, 그 저항값의 변화로 전압을 제어하는 제어전압발생회로(도시되지 않음)와, 제어된 전압으로 캐패시턴스값을 조절하여 주파수를 조정하는 주파수조정회로(도시되지 않음)로 구성된다. 상기 각각의 회로는 종래의 공지기술이므로 이하에서 상세한 설명은 생략한다.The TCXO includes a temperature compensation circuit for controlling temperature characteristics. The temperature compensation circuit (not shown) generally includes a temperature detection circuit (not shown) using a resistance value change of the thermistor, and A control voltage generation circuit (not shown) for controlling the voltage by the change, and a frequency adjustment circuit (not shown) for adjusting the frequency by adjusting the capacitance value with the controlled voltage. Each of the circuits is known in the art, so detailed description thereof will be omitted below.
상기 TCXO는 온도특성이 보상되어 안정된 발진주파수를 발생하므로, 휴대폰, 무선 휴대단말기, PDA, Mobile 기기, WLAN, 불루투스, 홈넷트워크, 휴대형 게임기, 고속도로의 무인요금 징수기 등 각종 무선기기의 정밀 안정주파수원으로 활용된다. Since the TCXO generates a stable oscillation frequency by compensating for temperature characteristics, the precision stable frequency of various wireless devices such as mobile phones, wireless handheld terminals, PDAs, mobile devices, WLANs, Bluetooth, home networks, portable game consoles, unmanned toll collectors on highways, etc. It is used as a circle.
그러나, 상기 TCXO는 상온에서 동작하므로, 주파수안정도가 떨어지고 위상노 이즈(phase noise) 특성이 열악하여, 보다 정밀도 요구되는 첨단제품에는 적용하기 어려웠으며, 특히 고품질의 동영상을 기반으로 하는 양방향 멀티미디어 무선영상통신 등 고정밀도의 주파수 안정도를 필연적으로 요구하게 되는 IT환경에서 그 이용의 한계점에 봉착되었다. However, since the TCXO operates at room temperature, the frequency stability is poor and the phase noise characteristics are poor. Therefore, the TCXO is difficult to be applied to high-tech products requiring more precision. In particular, two-way multimedia wireless video based on high quality video is required. In the IT environment, which inevitably requires high-precision frequency stability such as communication, it has encountered limitations of its use.
한편, 상기 TCXO에 비해 주파수 안정도 및 위상노이즈 특성이 향상된 제품이 상온 항온조수정발진기인 OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillators)이다. On the other hand, the product with improved frequency stability and phase noise characteristics compared to the TCXO is OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillators) is a room temperature constant temperature crystal oscillator.
상기 OCXO는 주위온도보다 높은 일정한 온도를 유지하기 위한 항온조를 만들어 그 속에 수정진동편을 위치시킴으로써, 보다 안정된 주파수안정도를 나타낸다. The OCXO shows a more stable frequency stability by making a thermostat for maintaining a constant temperature higher than the ambient temperature and placing the quartz crystal vibrating element therein.
이때, 상기 항온조의 온도를 높여주기위한 가열소자로서 니크롬선 등과 같이 고온에 견디며 전기저항이 높은 금속선에 전류를 흘려 열이 나도록 하였으나, 최근에는 항온조의 내부 면에 페인트(Paint)모양으로 단순히 발라주거나 껌 모양으로 눌러 붙여주고 그 표면에 전류를 흘려주어 가열하는 발열 페인트 등과 같은 발열물질이 새롭게 개발되었다. At this time, as a heating element to increase the temperature of the thermostat, it is made to withstand a high temperature such as nichrome wire and heats by flowing a current through a metal wire having a high electrical resistance, but recently, it is simply applied to the inner surface of the thermostat in the form of paint. Newly developed heating materials such as heating paint that press and paste in the shape of a gum and flow an electric current on its surface.
그러나, 상기와 같은 OCXO의 발열소자들은 반도체소자에 비해 대형·대전력이고, 온도의 제어도 정밀하지 못하므로, 상기 OCXO는 수 ㎽ 이내의 전력소모가 요구되는 휴대형 전자기기(휴대전화기 등)나 멀티미디어 기기에 부적합한 문제점이 있었다.However, the heating elements of the OCXO are larger and larger power than the semiconductor elements, and the temperature control is not precise. Therefore, the OCXO is a portable electronic device (mobile phone, etc.) requiring power consumption of several kilowatts or less. There was an unsuitable problem in a multimedia device.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, TCXO에 구비된 수정진동편의 온도특성 보상을 위한 IC에서 자체적으로 발생하는 열을 활용함과 동시에, 별도의 발열전용IC를 상기 IC와 동일 칩상에 구현하여 원칩 IC를 형성하고, 상기 수정진동편과 원칩 IC를 일정이내의 간격으로 인접시켜 초소형 항온조를 형성하는 반도체 가열소자를 이용한 온도보상형 수정발진기를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and utilizes the heat generated by the IC for the compensation of the temperature characteristics of the crystal vibration piece provided in the TCXO, and at the same time, a separate heating-only IC the same as the IC It is an object of the present invention to provide a temperature compensation crystal oscillator using a semiconductor heating element formed on a chip to form a one-chip IC, and adjacent to the crystal oscillation piece and the one-chip IC at a predetermined interval to form an ultra-small thermostat.
반도체가 집적된 IC에서는 자체에서 열이 발생하므로, 이를 경감하거나 발생된 열을 외부로 방출하는 것이 회로의 집적화(Integration)에 중요한 요소이다. 본 발명은 IC의 발열을 역으로 활용하는 방안을 제안한 것이며, 더불어 발열만을 위한 전용IC(이하, '발열 IC')를 별도로 추가하여 원칩 IC로 제작하고, 상기 원칩IC와 수정진동편을 팩키지 내부에 실장하여 초소형 오븐(Oven) 방식의 항온조를 형성함에 그 기술적 특징이 있다. In a semiconductor integrated IC, heat is generated from itself, so reducing or dissipating the generated heat to the outside is an important factor in the integration of a circuit. The present invention proposes a method of utilizing the heat generated by the IC in reverse, and additionally, a dedicated IC (hereinafter, referred to as a 'heating IC') for heat generation is separately manufactured as a one-chip IC, and the one-chip IC and the crystal vibration piece are packaged inside the package. There is a technical feature in mounting to form a thermostat of a very small oven (Oven) method.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 반도체 가열소자를 이용한 온도보상형 수정발진기를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.In order to achieve the above technical problem, a temperature compensation crystal oscillator using a semiconductor heating device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 의한 반도체 가열소자를 이용한 온도보상형 수정발진기의 블록구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시례로서, 원칩 IC의 회로동작을 개략적으로 나타내는 블록구성도이고, 도 3a, 3b는 본 발명에 의한 반도체 가열소자를 이용한 온도보상형 수정발진기의 측단면도 및 평면도이고, 도 3c는 도 3a의 수정발진기의 상측에 리드가 결합된 것을 도시한 측단면도이고, 도 4는 본 발명의 수정발진기를 이루는 다층구조를 개략적으로 나타내는 평면모식도 및 측면모식도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시례로서 팩키지 내측에 각 구성요소가 삽입설치되는 것을 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.1 is a block diagram of a temperature compensation crystal oscillator using a semiconductor heating device according to the present invention. FIG. 2 is a block diagram schematically illustrating a circuit operation of a one-chip IC as an embodiment of the present invention. 3b is a side cross-sectional view and a plan view of a temperature compensated crystal oscillator using a semiconductor heating element according to the present invention. FIG. 3c is a side cross-sectional view showing a lead coupled to an upper side of the crystal oscillator of FIG. 3a, and FIG. A schematic plan view and a side view schematically illustrating a multilayer structure constituting the crystal oscillator of the present invention, Figure 5 is an exploded perspective view schematically showing that each component is inserted into the package as an embodiment of the present invention.
본 발명에 의한 반도체 가열소자를 이용한 온도보상형 수정발진기(Semiconductor Ovenlized Temperature Compensated Crystal Oscillator ; 이하 'SOTCXO'라 함)는 도 1에 도시된 바와 같이, 전압에 의해 물리적인 진동을 하여 전기적인 신호를 발생하는 피에조(Piezo)물질인 수정진동편(9)과; 데이타 입력을 위한 메모리(20)와, 상기 수정진동편(9)의 온도특성을 사전에 입력하여 그 온도를 보상해 주는 온도보상부(30)와, 상기 수정진동편(9)이 위치하는 공간에 열을 공급하여 일정한 온도를 유지시키는 발열소자부(40)가 일체로 구현된 원칩 IC(10)와; 상기 수정진동편(9)과 원칩 IC(10)를 외부로 부터 밀폐 격리시키는 팩키지(11)로 구성된다. The semiconductor Ovenlized Temperature Compensated Crystal Oscillator (hereinafter referred to as SOTCXO) using a semiconductor heating element according to the present invention is an electrical signal by physical vibration by a voltage as shown in FIG. Crystal vibration piece (9) which is a piezo material generated; A
상기 수정진동편(9)은 피에조현상에 의해 소정의 전류가 흐르면 일정한 주기로 물리적인 진동을 하고, 이 진동에 의하여 일정한 전기적 신호를 발생(발진)하게 되는데, 주위의 온도변화에 따라 진동편을 이루는 수정의 결정구조가 변화되고, 따라서 진동특성 및 발진주파수도 변화하게 되므로 온도의 변화에 무관하게 일정한 주파수를 얻기위해서는 이 변화를 예측하여 보상하여 줄 필요가 있다. The
이를 위해 본 발명에서는 수정진동편(9)이 실장된 항온조(팩키지) 내부를 주변의 온도보다 높은 온도로 유지시켜 수정진동편(9)이 주변 온도변화에 의한 영향을 받지 않도록 구성하였다. To this end, in the present invention, the inside of the thermostat (package) in which the quartz
한편, 상기 원칩 IC(10)는 종래의 TCXO에서 온도변화에 따른 수정진동편의 진동편차를 제거해 주기위한 수정진동편(9)의 온도특성을 보상하는 IC와, 기존 OCXO에서의 발열을 담당하는 부분을 별도의 발열용 IC로 구현하여 이를 동일 칩(Chip)상에 설계한 것이다. On the other hand, the one-chip IC 10 is an IC for compensating the temperature characteristics of the quartz
이때, 상기 수정진동편(9)과 원칩 IC(10)는 작은 간격을 두고 인접된 상태로 팩키지(11) 내부로 실장됨으로써, 상기 팩키지(11)가 수정진동편과 온도보상 및 발열칩이 단일화된 원칩 IC(10)에 의해 초소형 항온조를 형성하게 된다. In this case, the quartz
또한, 상기 온도보상부(30)는 메모리(20)로부터 사전에 입력된 현재의 온도에 해당하는 수정진동편(9)의 특성 데이타를 받아서 온도특성에 맞는 발진제어를 시작하게 되는데, 이 단계에서는 기존의 온도보상형 수정발진기인 TCXO의 온도보상회로와 동일한 동작을 하게 되며, 도 2에 도시된 원칩 IC(10)의 회로동작설명에서 그 내용을 자세히 후술한다. In addition, the
또한, 상기 발열소자부(40)는 반도체 장션(JUNCTION; 결합), 반도체발열저항(Resistive Junction) 또는 MOS(Metal-Oxide Semiconductor)중 어느 하나 이상으로 이루어지며, 발열제어회로(50)에 의해 발열소자부(40)의 공급전류를 제어함으로써, 그 발열의 정도를 조절할 수 있게 된다.In addition, the heat generating
본 발명의 일 실시례로서, 상기 반도체 장션은 P형 반도체와 N형 반도체를 접합한 PN 장션으로 이루어지며, 기타 PNP, NPN 장션을 사용한 쌍극성 접합트랜지스터(Bipolar Junction Transistor)를 사용할 수도 있다. In one embodiment of the present invention, the semiconductor junction is made of a PN junction in which a P-type semiconductor and an N-type semiconductor are bonded. Other bipolar junction transistors using PNP and NPN junctions may be used.
상기 반도체 장션은 반도체 구성물질과 첨가된 불순물에 의해 전위장벽(장션전압)이 형성되므로, 정상적인 동작시 전위장벽을 통해 전류가 흐르면 전위장벽이 일정한 전압을 유지하게 되고, 전위장벽의 전압과 전위장벽을 통과하여 흐르는 전류에 의하여 PN접합의 전위차가 생기게 된다. Since the potential of the semiconductor barrier is formed by the semiconductor constituent material and the added impurities, the potential barrier maintains a constant voltage when a current flows through the potential barrier during normal operation, and the voltage of the potential barrier and the potential barrier are maintained. An electric current flowing through the PN junction causes a potential difference.
이때 외부 발열회로에 의한 온도변화는 장션전압의 변화를 주게 되는 '온도-장션전압 특성'을 나타낸다. 즉, 온도상승시에는 장션전압이 내려가고 온도하강시에는 장션전압이 올라가는 특성을 이용하여 장션전압을 정밀하게 관측함으로써 장션의 발열상태 내지는 온도를 측정할 수 있게 된다.At this time, the temperature change caused by the external heating circuit represents the 'temperature-voltage voltage characteristic' which gives the change of the tension voltage. In other words, by using the characteristic that the tension voltage goes down when the temperature rises and the tension voltage goes up when the temperature falls, the heat generation state or temperature of the tension can be measured by precisely observing the tension voltage.
본 발명에서는 상기와 같은 '온도-장션전압'의 특성을 이용하여 반도체 장션 의 온도를 검출하게 되며, 장션전압을 정밀하게 감지하여 일정한 크기를 유지하도록 제어하도록 함으로써 반도체 장션의 발열온도를 제어하게 된다. 즉, 발열제어회로(50)의 피드백 제어에 의해 발열소자부(40)가 항온조를 일정한 온도로 유지시킨다.In the present invention, the temperature of the semiconductor junction is detected by using the characteristics of the above-described 'temperature-voltage', and the heating temperature of the semiconductor junction is controlled by precisely detecting the tension voltage and controlling it to maintain a constant size. . That is, the
본 발명의 다른 실시례로서, 상기 발열소자부(40)는 별도의 반도체발열저항(Resistive Junction)으로 구성되고, 상기 반도체발열저항에 공급되는 전류의 크기를 조절하여 발열의 양을 제어할 수도 있다. As another embodiment of the present invention, the heat
이때, 상기 반도체발열저항에 흐르는 전류의 크기는 펄스폭 변조된 신호를 인가함으로써 조절하는 디지털적인 방법을 사용하거나, 저항에 흐르는 전류를 조절하여 양단에 걸리는 전압을 변화시킴으로써 발열양을 조절하는 아날로그적인 방법을 사용하여 제어가능하다. At this time, the amount of current flowing through the semiconductor heat generating resistor may be adjusted by applying a pulse width modulated signal, or an analog method of controlling the amount of heat generated by changing the voltage across both ends by adjusting the current flowing through the resistor. Controllable using.
본 발명의 또 다른 실시례로서, 상기 발열소자부(40)는 MOS(Metal-Oxide Semiconductor)소자로 구성되고, 상기 MOS소자의 게이트전압을 조절하여 발열의 양을 제어할 수 있다. As another embodiment of the present invention, the heat
즉, MOS 소자의 드레인과 소스 사이의 전압이 일정하게 걸려있는 상태에서 게이트 전압을 조정하면 드레인 전류가 변화하게 된다. 드레인 전류의 크기는 MOS의 게이트-소스간 전압에서 문턱전압을 뺀 값의 제곱에 비례하여 증가하게 되는데, 이 때 드레인 전류와 드레인 소스간 전압을 곱한 값이 바로 MOS에서 소모하는 전력 이 된다. 따라서 발열을 원하는 위치에 적절한 크기의 MOS를 위치시키고 단순히 그 게이트 전압을 조절하여 발열양을 조절하는 방법을 사용하는 것도 가능하다. That is, when the gate voltage is adjusted while the voltage between the drain and the source of the MOS device is constantly applied, the drain current changes. The magnitude of the drain current increases in proportion to the square of the gate-source voltage minus the threshold voltage of the MOS. At this time, the product of the drain current and the drain-source voltage is the power consumed by the MOS. Therefore, it is also possible to use a method of adjusting the amount of heat generated by simply placing a MOS of a suitable size in a desired position of heat generation and simply adjusting its gate voltage.
따라서, 상기 원칩 IC(10)에 전원이 가해지면 발열소자부(40)에서는 공급된 전류에 의해 항온조 내부의 온도가 설정 온도가 될 때까지 발열작용을 하게 되고, 설정 온도에 도달하면 발열제어회로(50)에 의해 반도체 장션으로 공급되는 전류를 제어하여 발열량을 줄여줌으로써 항온조의 설정온도를 유지시킨다.Therefore, when power is applied to the one-
즉, 상기 발열제어회로(50)는 외부온도변화에 무관하게 상온보다 높은 일정 온도를 유지하도록 발열소자부(40)를 제어함으로써 수정진동편(9)의 발진주파수를 주변온도에 상관없이 정밀하게 유지되도록 한다. That is, the
이하에서는, 도 2에 도시된 블록구성도에 의해 상기 원칩 IC(10)의 동작을 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, the operation of the one-
본 발명에 의한 원칩 IC(10)에는 온도변화에 따라서 출력전압이 변화하는 온도센서(Temperature Sensor; 51)와, 외부온도의 변화에도 불구하고 일정한 정전압을 유지하는 기준온도발생장치(Reference Temperature; 52)와, 상기 온도센서(51)를 통해서 감지된 온도를 기준온도와 비교하여 그 차이를 적분하여 출력하는 PI 제어기(PI Controller; 53)가 발열제어회로(50)의 구성요소로 설계된다. The one-
이때, 상기 PI 제어기(53)의 출력에 따라 발열소자부(40)의 발열양이 제어되며, 상기 PI제어기(53)의 출력은 온도보상부(30)와 보조조정회로(60)에 전달되어 수정진동편(9)의 발진주파수가 일정하게 유지될 수 있도록 제어한다. At this time, the amount of heat generated by the
상기 온도보상부(30)는 후술하는 종래의 TCXO IC에 구현된 능동영역동작회로(54), 프로그램셋팅회로(55), 캐패시터 어레이 스위치(56), 메인 캐패시터 어레이(57) 등을 포함한다. The
즉, 온도가 매우 낮은 상태에서는 PI제어기(53)의 출력전압이 + (혹은 - )쪽으로 포화상태에 있게 된다. 이와 같은 포화상태에서는 발열소자부(40)에서 최대의 크기로 열을 발생시키게 되며, 원칩 IC(10)의 온도가 설정온도에 도달하게 되면, PI제어기(53)의 출력이 포화상태에서 벗어나 정상적인 제어모드로 들어가게 된다. 이것은 PI 제어기(53)를 구성하는 연산증폭기가 매우 큰 이득을 가지고 있으므로 매우 작은 입력신호의 차이도 크게 증폭되는 반면에 연산증폭기의 출력전압의 변화는 전원전압보다 낮은 영역에서 존재할 수밖에 없기 때문에 발생하는 현상이다.That is, in a state where the temperature is very low, the output voltage of the
이때, 능동영역동작판단회로(Active Operation Decision; 54)에서는 상기 PI제어기(53)가 정상적인 제어모드인 것으로 판단되면, 프로그램셋팅회로(Program Setting; 55)를 동작하여 수정진동편(9)의 정상동작 주파수를 설정하게 된다. At this time, in the Active
상기 능동영역동작판단회로(54)와, 프로그램셋팅회로(55)는 TCXO IC의 주 동 작기능으로서, 본 발명에서는 상기 각 회로(54, 55)와 온도센서(51), 기준온도발생장치(52), PI제어기(53) 등의 발열제어 구성요소를 포함하여 수정진동편(9)의 온도특성을 보완할 수 있도록 발열제어회로(50)를 설계함에 그 기술적 특징이 있다.The active area
일반적으로 TCXO는 네트웍 아날라이저(Network Analyzer)등을 이용하여 외부에서 수정진동편(9)을 공진시키면서 일정한 주파수로 발진되도록 조정하여도 온도특성이 균일하지 않기 때문에 설정온도에 따라 주파수특성들이 달라지게 된다. In general, even though the TCXO is adjusted to oscillate at a constant frequency while resonating the
이를 보완하기 위해 본 발명에서는 온도변화에 따른 수정진동편(9)의 특성변화에 따라 달라지는 주파수를 원칩 IC(10)에 구현된 주 캐패시터 어레이(Main Cap Array; 57)를 이용하여 그 값을 조정하여 줌으로써 수정진동편(9)의 공진주파수를 일정한 값으로 프로그램 셋팅하게 된다. In order to compensate for this, the present invention uses a main capacitor array (57) implemented in the one-
정상적인 제어모드는 연산증폭기의 출력이 포화상태에서 벗어나 정상적인 동작범위에 들어오게 될 때 이루어지는데, 이런 경우에도 발열소자부(40)는 연산증폭기의 출력전압에 비례하여 열을 발생시키게 되며, 발생되는 열의 양은 외부온도에 반비례하게 된다. 즉, 연산증폭기의 출력전압은 외부온도에 반비례하여 그 크기가 변화한다. The normal control mode is established when the output of the operational amplifier is out of saturation and enters the normal operating range. In this case, the
따라서, 초기에 발진주파수를 세팅하는 과정에서는 원칩 IC(10)과 수정진동편(9)이 모두 항온조에 들어가 있는 상태에서 이루어져야 한다. 부연설명하면 항온조의 온도를 조절함에 따라 연산증폭기의 출력전압이 변화하게 되며, 변화하는 연 산증폭기의 출력전압이 일정전위에 도달한 상태에서 프로그램세팅회로(55)가 동작하여 주 캐패시터 어레이(57)를 조정함으로써 공진주파수를 일정하게 세팅하게 된다. 이 과정에서 연산증폭기의 출력전압이 일정전위에 도달하였는지 여부를 판단하는 회로가 바로 능동영역동작판단회로(54)의 역할인 것이다. Therefore, in the process of initially setting the oscillation frequency, the one-
또한, 상기 프로그램 셋팅은 외부에서 디지털 데이터(Control Data)로 주어지며, TCXO칩 부분에 캐패시터 스위치 어레이(56)를 이용하여 2의 배수로 나열된 주 캐패시터 어레이(57)를 변화시키면서 발진주파수를 조정하게 된다. 즉, 프로그램 세팅회로(55)는 외부에서 주 캐패시터 어레이(57)를 변화시킴과 아울러 공진주파수를 정밀하게 측정하면서 판단을 하게 되고, 설정하고자 하는 주파수보다 높은지 아니면 낮은지에 따라 MSB부터 LSB까지 순차적으로 결정을 하게 된다. 이렇게 하여 최종 결정이 이루어지고 나면 최종 데이타를 원칩 IC(10) 내부의 ROM(도시되지 않음)에 저장함으로써 중심주파수를 고정시키게 된다.In addition, the program setting is given externally as digital data (Control Data), and the oscillation frequency is adjusted while changing the
상기 발진주파수를 조정하는 방법은 기존의 AD 변환기 설계시 사용하는 알고리즘 중의 하나인 Successive approximation 방법과 유사한 방법으로 조정할 수 있다. The method of adjusting the oscillation frequency can be adjusted by a method similar to the successive approximation method, which is one of the algorithms used in the conventional AD converter design.
즉, 초기에 전체 캐패시턴스의 절반을 연결하고 발진주파수가 설정주파수 보다 높은지 아니면 낮은지를 판단하며, 높다면 앞서 연결하였던 절반의 캐패시턴스를 그대로 연결해 두고 남은 절반의 캐패시턴스의 절반을 추가로 연결하여 총 3/4 의 캐패시턴를 연결한 상태에서 다시 판단하지만, 반대로 낮다면 앞서 연결하였던 절반의 캐패시턴스를 다시 개방해 두고 남은 절반의 캐패시턴스의 절반만을 연결하여 총 1/4의 캐패시턴스를 연결한 상태에서 다시 판단하는 Successive approximation 방법을 계속하여 반복하되, 가장 비중이 큰 비트 (MSB 비트)부터 판단을 시작하여 가장 비중이 낮은 비트(LSB 비트)까지 판단하여 가는 것이다. In other words, initially connect half of the total capacitance and judge whether the oscillation frequency is higher or lower than the set frequency.If high, connect half of the capacitance as it is and leave half of the other half of the capacitance additionally. Judging again when the capacitance of 4 is connected, but if it is low, open the previous half of the capacitance again and connect only half of the remaining half of the capacitance, and then judge again with the total of 1/4 capacitance connected. Repeat the successive approximation method, but start with the most significant bit (MSB bit) and determine the least significant bit (LSB bit).
이렇게 하면 예를 들어, 10 비트로 주어지는 디지털 데이터에 대하여 열 번의 판단을 거치면 조정이 완료된다. In this way, for example, adjustment is completed after ten judgments on digital data given by 10 bits.
한편, PI 제어기(53)를 이용하여 발열소자부(40)를 제어함으로써 칩의 온도를 일정하게 유지하도록 제어하는 경우에도 외부온도의 변화에 따라 약간의 온도편차는 나타나게 된다. On the other hand, even when controlling to keep the temperature of the chip constant by controlling the heat
예를 들어, 외부온도가 100° 정도 변화할 때 원칩 IC(10)의 온도가 설정온도를 중심으로 1도 정도의 오차가 있다고 가정한다면 이러한 작은 변화에도 불구하고 발진회로(Osc Circuit; 70)의 주파수 안정도를 0.01ppm 이하로 유지시키기 위해서는 주파수를 일정하게 유지시키기 위한 보조조정회로(60)가 필요하게 된다. For example, assuming that the temperature of the one-
이를 위하여 상기 보조조정회로(60)에서는 먼저 설정온도를 중심으로 변화하는 온도편차를 검출해야 하는데 그 방법으로 PI 제어기(53)의 출력을 이용하게 된다. To this end, the
즉, PI 제어기(53)의 출력을 A/D 변환기(61)를 거쳐 디지털 데이터를 변환한 다음에 이 값을 마이크로 콘트롤러(uC; 62)를 통하여 보조 캐패시터 어레이(Sub Cap Array; 63)를 조정함으로써 발진주파수를 일정하게 유지하도록 제어하는 것이 가능하게 된다. That is, the digital controller converts the output of the
이때, 보조 캐패시터 어레이(63)의 캐패시턴스 값을 정하는 방법은 위에서 주 캐패시터 어레이(57)를 조정하는 방법에서 언급한 바와 같이 유사한 방법으로 조정할 수 있다. At this time, the method of determining the capacitance value of the
상기에서 언급한 회로 블록들이 정밀하게 동작하기 위해서는 원칩 IC(10) 내부에 외부 온도변화나 전원전압의 변동에도 불구하고 일정한 전압을 유지하는 정밀한 전원이 필요하게 된다. 이를 위하여 전압안정화회로(Voltage Regulator; 58)가 별도의 블록으로 추가되어 있다. In order to operate the above-mentioned circuit blocks precisely, a precise power source that maintains a constant voltage is required in the one
따라서, 본 발명에 의한 원칩 IC(10)는 온도센서(51)를 통해 항온조 내부의 온도를 감지한 후, 발열제어회로(50)를 통해 반도체 장션의 전류를 제어함으로써 항온조 내부가 항상 일정한 온도를 유지하도록 하며, 수정진동편(9)에 발진전압을 가해 발진을 시작시키고, 캐패시터 어레이(56, 57, 63)로 구성된 필터회로를 통해 정확하고 안정된 주파수의 발진을 유지시킨다.Therefore, the one-
한편, 본 발명에 의한 반도체 가열소자를 이용한 온도보상형 수정발진기는 도 3a 내지 3b에 도시된 바와 같이, 범프연결용 패턴을 이루는 제1레이어(1)와, 접 착부를 이루는 제2레이어(2)와, 리드부를 이루는 제3레이어(3)와, 이종접착수단으로서 코바링을 이루는 제4레이어(4)가 중앙부분에 공간을 형성한 상태로 다층구조를 이루게 되며, 상기 제1레이어(1)의 일측에는 복수개의 테스트 접촉부(7)가 구비되어 있다. On the other hand, the temperature compensation crystal oscillator using the semiconductor heating element according to the present invention, as shown in Figures 3a to 3b, the first layer (1) forming a bump connection pattern, and the second layer (2) forming an adhesive portion ), The
상기 제1레이어(1)의 상부면에는 범프(6)에 의해 원칩 IC가 밀착결합되고, 제2레이어(2)의 상부면에는 범프(5)에 의해 수정진동편(9)이 밀착결합되는데, 상기 원칩 IC와 수정진동편(9)은 일정공간 이격되어야 한다.The one chip IC is tightly coupled to the upper surface of the
또한, 상기 수정진동편(9)과 원칩 IC(10)의 배치는 항온조 공간의 원활한 열순환을 위해 인접되면서도 상하 레이어간의 용이한 열순환이 이루어져하므로, 본 발명에서는 일 실시례로서, 상기 수정진동편(9)과 원칩 IC(10)는 범프(5, 6)에 의해 해당 레이어에 점(spot) 결합되어 일정한 열통로를 형성하는 것을 제안한다. In addition, since the arrangement of the quartz
이때, 열의 균일한 확산으로 항온조내의 온도분포를 일정하게 유지하기위하여 원칩 IC(10)와 수정진동편(9), 그리고 레이어간의 배치는 유체열역학적인 특성을 고려하여 설계되고 배치되는 것이 바람직하다. At this time, in order to keep the temperature distribution in the thermostat constant by the uniform diffusion of heat, the arrangement between the one-
또한, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 제4레이어(4)의 상부면에는 다시 리드(8)가 밀착결합되어 외부로부터의 데이터 입출력과 전원의 공급을 비롯한 전기전 자적인 입출력의 연결과 열전달이 최소화 되도록하여 그 내부가 항온조를 이루는 팩키지(11)를 형성하게 된다. In addition, as shown in FIG. 3C, the upper surface of the
즉, 도 4에 도시된 바와 같이 중앙부분에 공간이 형성된 제2레이어(2) 내지 제4레이어(4)는 제1레이어(1)에 순차적으로 적층되며, 상기 제1레이어(1)의 상부면에는 원칩 IC(10)를 탑재할 수 있도록 회로패턴이 구비된다. 이때, 도면에는 상기 M-1은 제1레이어(1)는 하부면을, M-2는 제2레이어(2)의 하부면을, M-3는 제3레이어(3)의 하부면을, M-4는 제4레이어(4)의 하부면을 의미하며, 도 3a 및 도4의 평면도에 의해 각각의 구분이 가능하므로, 그 분리된 도면의 상세한 도시는 생략한다. That is, as shown in FIG. 4, the
따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1레이어(1) 내지 제3레이어(3)가 적층된 상태에서, 제1레이어(1) 상부면에 형성된 회로패턴으로 원칩 IC(10)가 탑재되고, 다시 제 2레이어(2)에 수정진동편(9)이 밀착결합되며, 다시 제4레이어(4)를 이루는 이종접착수단으로서의 코바링이 결합되고, 그 상부에 리드(8)가 밀착결합됨으로써 본 발명에 의한 반도체 가열소자를 이용한 온도보상형 수정발진기가 제조된다.Therefore, as shown in FIG. 5, in a state in which the
본 발명은 기존의 온도보상형 수정발진기인 TCXO와 항온조수정발진기인 OCXO의 기능을 그대로 수용하면서 그 부분 전체를 원칩 반도체발열소자로 구성한 초소형 항온조에 넣어 줌으로써 기존의 상온항온조 수정발진기인 OCXO의 성능을 수행하 면서도, 물리적인 크기와 전력소모의 면에서는 휴대기기에 널리 쓰이고 있는 온도보상형 수정발진기인 TCXO에 비해 동일한 환경에서 주파수 안정도는 100배 정도 개선된 OCXO의 수준을 유지하게 된다.The present invention accommodates the functions of TCXO, a temperature compensated crystal oscillator, and OCXO, a constant temperature crystal oscillator, and puts the entire part into a micro-temperature chamber composed of one-chip semiconductor heating elements, thereby improving the performance of the conventional room temperature crystal oscillator OCXO. In terms of physical size and power consumption, compared to TCXO, a temperature compensated crystal oscillator that is widely used in portable devices, frequency stability is maintained at a level of 100 times improved OCXO in the same environment.
따라서, 본 발명에 의한 SOTCXO는 크기와 전력소모는 현재 널리 쓰이고 있는 상온 TCXO와 유사한 수준이고, 그 주파수 안정도 및 위상특성은 OCXO의 성능을 가짐으로써, 종래의 항온조 수정발진기인 OCXO와 온도보상형 수정발진기인 TCXO 두 종류의 장점을 모두 살릴 수 있게 된다. Therefore, SOTCXO according to the present invention is similar in size and power consumption to room temperature TCXO, which is widely used at present, and its frequency stability and phase characteristics have the performance of OCXO, which is a conventional thermostat crystal oscillator OCXO and temperature compensation crystal The advantages of both types of oscillators, TCXOs, will be available.
이상 도 1 내지 도 5에 도시된 도면은 본 발명의 일 실시례로서 나타낸 것으로서, 각 구성요소에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지 않으며, 동일 유사한 기능 및 효과를 갖는 대체 구성요소를 사용하거나 일부의 동작방식을 변경하는 경우도 모두 본 발명의 권리범위에 속한다. 1 to 5 as shown as an embodiment of the present invention, the scope of the present invention by each component is not limited, using alternative components or parts having the same similar function and effect All changes in the manner of operation is within the scope of the present invention.
본 발명에 의한 반도체 가열소자를 이용한 온도보상형 수정발진기(SOTCXO)는 수정진동편(9)의 온도특성 보상을 위해 구비된 IC의 자체발열을 활용함과 동시에, 별도의 발열IC를 상기 IC와 동일 칩상에 구현하여 원칩 IC(10)를 형성하고, 상기 수정진동편(9)과 원칩 IC(10)를 일정이내의 간격으로 인접시켜 초소형 항온조를 형성함으로써 소형·저전력·고 주파수안정도를 만족하는 수정발진기를 구현할 수 있 는 효과가 있다.The temperature compensated crystal oscillator (SOTCXO) using the semiconductor heating element according to the present invention utilizes the self-heating of the IC provided to compensate for the temperature characteristic of the
또한, 본 발명에 의한 SOTCXO에서는 TCXO의 주파수 안정도를 100배 이상 개선하여 기존 OCXO수준의 높은 주파수안정도를 나타냄으로써, 통신계측기와 통신기지국, 중계기 및 GPS등에 기준주파수원으로 사용되던 OCXO를 대체할 수 있으며, 그 물리적인 크기와 전력소모가 TCXO 수준으로 축소되므로 휴대폰, 무선 휴대단말기, PDA, Mobile 기기, WLAN, 불루투스, 홈넷트워크, 휴대형 게임기, 고속도로의 무인요금 징수기 등 각종 무선기기의 정밀 안정주파수원으로 활용되는 TCXO를 대체할 수 있는 효과가 있다. In addition, the SOTCXO according to the present invention improves the frequency stability of the TCXO by more than 100 times, indicating high frequency stability of the existing OCXO level, and can replace the OCXO used as a reference frequency source for communication instrumentation, communication base station, repeater, and GPS. The physical size and power consumption are reduced to the TCXO level, so the precise stable frequency of various wireless devices such as mobile phones, wireless handheld terminals, PDAs, mobile devices, WLAN, Bluetooth, home networks, portable game consoles, unmanned toll collectors on highways, etc. It has the effect of replacing TCXO used as a source.
또한, 본 발명에서 제안된 반도체 장션의 온도제어를 통한 반도체 발열소자는 초소형 항온조의 설계제작을 현실화시킴으로써 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 제품의 기반기술로 활용될 수도 있다.In addition, the semiconductor heating element through the temperature control of the semiconductor section proposed in the present invention may be utilized as the base technology of the MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) product by realizing the design and manufacture of the micro-temperature chamber.
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