RU2311726C1 - High-stability temperature-controlled oscillator - Google Patents
High-stability temperature-controlled oscillator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2311726C1 RU2311726C1 RU2006103917/09A RU2006103917A RU2311726C1 RU 2311726 C1 RU2311726 C1 RU 2311726C1 RU 2006103917/09 A RU2006103917/09 A RU 2006103917/09A RU 2006103917 A RU2006103917 A RU 2006103917A RU 2311726 C1 RU2311726 C1 RU 2311726C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- thermostat
- frequency
- resonators
- quartz
- Prior art date
Links
Landscapes
- Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к источникам высокостабильных колебаний, и может быть использовано при разработке термостатированных автогенераторов с пьезоэлектрическими резонаторами.The invention relates to electronics, in particular to sources of highly stable oscillations, and can be used in the development of thermostatically controlled oscillators with piezoelectric resonators.
Кварцевые генераторы находят широкое применение в самых различных областях техники, в том числе в устройствах генерирования и формирования радиосигналов, в телекоммуникационных и навигационных системах, в космической технике, в системах сбора и обработки информации, в устройствах мобильной связи, микропроцессорах и др. В частности, использование кварцевых генераторов в навигационном оборудовании и космической аппаратуре предъявляет к ним высокие требования по стабильности частоты в широком диапазоне термператур, к массогабаритным характеристикам и энергопотреблению.Quartz oscillators are widely used in various fields of technology, including devices for generating and generating radio signals, in telecommunication and navigation systems, in space technology, in information collection and processing systems, in mobile communication devices, microprocessors, etc. In particular, The use of quartz oscillators in navigation equipment and space equipment places high demands on them in terms of frequency stability over a wide range of temperature and mass-dimensional specifications and power consumption.
Чтобы обеспечить термостабильность частоты в широком диапазоне температур в автогенераторах используют термокомпенсацию или термостабилизацию. Рассмотрим их соответственно.In order to ensure thermal stability of the frequency over a wide temperature range, thermal compensation or thermal stabilization is used in self-oscillators. Consider them accordingly.
Полученные в настоящее время достижения в области проектирования термокомпесированных кварцевых генераторов с резонаторами AT-среза позволяют реализовать температурную стабильность частоты Δf/f=±(1...5)·10-6. Однако на практике производство таких высокостабильных генераторов связано со значительными трудностями вследствие немонотонности температурно-частотных характеристик (ТЧХ) кварцевых резонаторов. Обычно это выражается в скачке частоты ТЧХ при определенных температурах. Вероятность возникновения скачка частоты зависит от многих факторов: частоты резонатора (толщины пьезоэлектрической пластины), его конструктивных особенностей, технологии изготовления, качества применяемого кварца и др. Количество резонаторов с немонотонными ТЧХ колеблется в пределах (5-30)% от общего количества изготовляемых резонаторов. Установлено, что причиной возникновения немонотонности ТЧХ является наличие у кварцевых резонаторов паразитных колебаний, частоты которых находятся вблизи основной рабочей частоты. Температура различным образом влияет на основную частоту и паразитные колебания пьезоэлектрической пластины. Поэтому частоты основного рабочего и паразитных колебаний при некоторых значениях температур могут совпадать. В результате при этих температурах может происходить захват частоты паразитного колебания и перескок частоты с основного резонанса на частоту паразитного колебания с изменением параметров резонатора.Currently obtained advances in the design of thermocomposited quartz oscillators with AT-cut resonators make it possible to realize temperature stability of the frequency Δf / f = ± (1 ... 5) · 10 -6 . However, in practice, the production of such highly stable oscillators is associated with significant difficulties due to the nonmonotonic temperature-frequency characteristics (TFC) of quartz resonators. This is usually expressed in the frequency jump of the frequency response at certain temperatures. The probability of a frequency jump depends on many factors: the frequency of the resonator (thickness of the piezoelectric plate), its design features, manufacturing technology, the quality of the quartz used, etc. The number of resonators with non-monotonic frequency response ranges from (5-30)% of the total number of manufactured resonators. It has been established that the cause of the occurrence of nonmonotonic frequency response is the presence of spurious oscillations in quartz resonators, whose frequencies are close to the main operating frequency. Temperature in various ways affects the fundamental frequency and spurious oscillations of the piezoelectric plate. Therefore, the frequencies of the main working and spurious oscillations at certain temperatures can coincide. As a result, at these temperatures, the frequency of the parasitic oscillation can occur and the frequency jumps from the main resonance to the frequency of the parasitic oscillation with a change in the resonator parameters.
Несмотря на то, что проблема немонотонности ТЧХ кварцевых резонаторов среза AT известна уже более 30 лет, кардинального решения ее до сих пор не предложено.Despite the fact that the problem of the nonmonotonicity of the frequency response of quartz AT cutoff resonators has been known for more than 30 years, a radical solution has not yet been proposed.
Значительно более высокой стабильностью частоты в широком диапазоне температур обладают термостатированные кварцевые генераторы. Рассмотрим достижения в этой области более подробно.Significantly higher frequency stability over a wide temperature range is provided by thermostated quartz oscillators. Consider the achievements in this area in more detail.
В настоящее время в диапазоне высоких и сверхвысоких частот, от единиц до сотен МГц, в источниках высокостабильных колебаний используются в основном кварцевые резонаторы AT и SC-срезов. Однако по форме температурно-частотных характеристик (ТЧХ), динамическим параметрам, добротности и емкостному коэффициенту они имеют существенные различия. Семейство характеристик ТЧХ кварцевых резонаторов AT-среза для конкретных значений срезов представлены в [1], стр.37. ТЧХ имеет два экстемума, один при отрицательных температурах с максимальным значением, другой при положительных температурах - с минимальным значением. Экстремум, где ТЧХ имеет минимальные уходы частоты, конкретно при положительных температурах, как правило, выбирается в качестве температуры статирования термостата. При этом выбирают резонаторы в основном со срезами, у которых минимальное значение ТЧХ находится в диапазоне температур от +65 до +85°С.At present, in the range of high and ultra-high frequencies, from units to hundreds of MHz, the sources of highly stable oscillations mainly use quartz resonators AT and SC-cuts. However, in the form of temperature-frequency characteristics (TCH), dynamic parameters, quality factor and capacitive coefficient, they have significant differences. A family of characteristics of the frequency response of quartz AT-slice resonators for specific cut-off values is presented in [1], p. 37. The frequency response has two extremums, one at negative temperatures with a maximum value, the other at positive temperatures with a minimum value. Extreme, where the frequency response has minimal frequency drift, specifically at positive temperatures, as a rule, is chosen as the temperature of the thermostat stating. In this case, resonators are chosen mainly with slices in which the minimum TFC is in the temperature range from +65 to + 85 ° C.
Кривые ТЧХ кварцевых резонаторов SC-среза по форме подобны кривым ТЧХ резонаторов AT-среза. Однако экстремум ТЧХ при положительных температурах, где производная по температуре минимальна, находится при температурах выше 130°С, а точка перегиба ТЧХ, где производная по температуре максимальна, смещена в область более высоких температур, порядка 90°С, в то время как у резонаторов AT-среза она находится вблизи температуры 28°С. Температура термостатирования, в основном, выбирается в пределах от +65 до +85°С, поэтому автогенераторы с резонаторами SC-среза имеют значительно меньшую стабильность частоты, чем генераторы с резонаторам AT-среза, поскольку в области данных температур резонаторы AT-среза обладают минимальной крутизной ТЧХ, а SC-среза - близкой к максимальной. При этом необходимо учитывать, чем выше температура термостатирования, тем больше старение резонатора и, следовательно, уходы частоты автогенератора с течением времени. Поэтому температуру термостатирования стараются брать не выше 85°С.The frequency response curves of SC-cut quartz resonators are similar in shape to the frequency response curves of AT-cut resonators. However, the extremum of the TFC at positive temperatures, where the derivative with respect to temperature is minimal, is at temperatures above 130 ° C, and the inflection point of the TFC, where the derivative with respect to temperature is maximum, is shifted to the region of higher temperatures, of the order of 90 ° C, while for resonators AT-cut it is near a temperature of 28 ° C. The temperature of thermostating is mainly chosen in the range from +65 to + 85 ° С, therefore, self-oscillators with SC-cut resonators have significantly lower frequency stability than generators with AT-cut resonators, since AT-cut resonators have a minimum in the temperature range steepness of frequency response, and SC-cut - close to maximum. It should be borne in mind that the higher the temperature of temperature control, the greater the aging of the resonator and, consequently, the frequency deviation of the oscillator over time. Therefore, they try to take the temperature of temperature control no higher than 85 ° С.
Температурная стабильность частоты в большой степени зависит как от точности поддержания температуры в термостате регулятором температуры, так и от конструкции самого термостата. С учетом влияния различных дестабилизирующих факторов, использования современных технологий и материалов удается обеспечить в диапазоне температур от -50°С до +65°С минимальную нестабильность частоты до ±5·10-7 при использовании резонаторов AT-среза и как минимум на порядок хуже для резонаторов SC-среза.The temperature stability of the frequency to a large extent depends both on the accuracy of maintaining the temperature in the thermostat by the temperature controller, and on the design of the thermostat itself. Given the influence of various destabilizing factors, the use of modern technologies and materials, it is possible to ensure a minimum frequency instability of up to ± 5 · 10 -7 when using AT-cut resonators in the temperature range from -50 ° С to + 65 ° С and is at least an order of magnitude worse for SC-cut resonators.
Известен термостатированный кварцевый генератор по патенту Франции №2660499, МПК Н03В 5/32, 5/04, содержащий генератор с кварцевым резонатором, размещенным в термостате, и схему термостатирования, состоящую из нагревательного элемента, датчика температуры и терморегулятора. Данный генератор, однако, не может обеспечить высокую стабильность частоты в широком диапазоне температур для резонаторов SC-среза, у которого при температуре термостатирования в пределах от 65°С до 85°С резонаторы имеют близкую к максимальной крутизну ТЧХ. А для получения высокой стабильности частоты генераторов с резонаторами AT-среза в широком диапазоне температур требуется высокая точность поддержания температуры в термостате, что сопряжено с трудностями в реализации конструкции термостата и большим потреблением мощности на обогрев термостата при низких температурах.Known thermostatic quartz oscillator according to French patent No. 2660499, IPC Н03В 5/32, 5/04, containing a generator with a quartz resonator located in a thermostat, and a temperature control circuit consisting of a heating element, a temperature sensor and a temperature regulator. This generator, however, cannot provide high frequency stability in a wide temperature range for SC-cut resonators, in which the resonators have close to maximum frequency response steepness at a temperature of temperature control in the range from 65 ° C to 85 ° C. And to obtain high frequency stability of generators with AT-cut resonators in a wide temperature range, high accuracy in maintaining the temperature in the thermostat is required, which is associated with difficulties in the construction of the thermostat and high power consumption for heating the thermostat at low temperatures.
Наиболее близкими по технической сущности к заявляемому генератору являются термостатированные кварцевые генераторы, блоки которых и связи между ними описаны в справочном пособии Г.Б.Альтшуллер, Н.Н.Елфимов, В.Г.Шакулин. Кварцевые генераторы. М.: Радио и связь, 1984, с.100-121. Известный генератор с кварцевым резонатором, размещенным в термостате, содержит схему термостатирования, состоящую из нагревательного элемента, датчика температуры и терморегулятора. Однако данный генератор не может обеспечить высокую стабильность частоты в широком диапазоне температур для резонаторов SC-среза, у которого при температуре термостатирования в пределах от 65°С до 85°С резонаторы имеют близкую к максимальной крутизну ТЧХ. А для получения высокой стабильности частоты генераторов с резонаторами AT-среза в широком диапазоне температур требуется не только высокая точность поддержания температуры в термостате, но и достаточно сложная и громоздкая конструкция термостата. Кроме того, при низких температурах на обогрев термостата требуется большое потребление энергии.The closest in technical essence to the claimed generator are thermostatically controlled quartz oscillators, the blocks of which and the connections between them are described in the reference book by G. B. Altshuller, N. N. Elfimov, V. G. Shakulin. Quartz oscillators. M .: Radio and communications, 1984, p. 100-121. A well-known generator with a quartz resonator located in a thermostat contains a temperature control circuit consisting of a heating element, a temperature sensor and a temperature regulator. However, this generator cannot provide high frequency stability in a wide temperature range for SC-cut resonators, in which the resonators have close to maximum steepness frequency response at a temperature of temperature control in the range from 65 ° C to 85 ° C. And to obtain high frequency stability of generators with AT-cut resonators in a wide temperature range, not only high accuracy in maintaining the temperature in the thermostat is required, but also a rather complicated and cumbersome design of the thermostat. In addition, at low temperatures, heating the thermostat requires high energy consumption.
Задачей, которую решает данное изобретение, является обеспечение возможности выбора температуры статирования при любой требуемой температуре независимо от точек экстремумов ТЧХ резонатора при одновременном повышении стабильности частоты кварцевого генератора в широком интервале температур или снижении требований к точности регулирования температуры термостата преимущественно для резонаторов SC-среза.The problem that this invention solves is to provide the possibility of choosing the statization temperature at any desired temperature, regardless of the extrema of the resonant frequency response of the resonator, while increasing the frequency stability of the crystal oscillator in a wide temperature range or reducing the accuracy of thermostat temperature control accuracy mainly for SC-cut resonators.
Технический результат достигается за счет того, что в автогенератор, в колебательную систему или цепь обратной связи которого включен кварцевый резонатор, помещенный в термостат с регулятором температуры, датчиком температуры и нагревателем, размещенными в термостате, введена дополнительная термозависимая цепь, обеспечивающая термокомпенсацию ТЧХ генератора в пределах изменения температуры термостата, которая размещена внутри термостата. Причем технический результат достигается независимо от того, как подключена соответствующая термозависимая цепь, параллельно или последовательно с кварцевым резонатором, а также помещены в термостат только термозависимая цепь с кварцевым резонатором или вместе с автогенератором.The technical result is achieved due to the fact that in the oscillator, in the oscillating system or feedback circuit of which a quartz resonator is included, placed in a thermostat with a temperature regulator, a temperature sensor and a heater placed in the thermostat, an additional thermally dependent circuit is introduced that provides thermal compensation of the generator frequency response within changes in the temperature of the thermostat, which is located inside the thermostat. Moreover, the technical result is achieved regardless of how the corresponding thermally dependent circuit is connected, in parallel or in series with the quartz resonator, and only the thermally dependent circuit with the quartz resonator or together with the oscillator is placed in the thermostat.
При использовании в автогенераторах резонаторов SC-среза с помощью цепи термокомпенсации удается обеспечить минимальную крутизну ТЧХ и тем самым повысить стабильность частоты генератора при меньшей точности регулирования температуры термостата. При этом имеется возможность выбирать температуру статирования при любой требуемой температуре независимо от точки экстемума ТЧХ резонатора. Для обеспечения минимального старения кварцевого резонатора температуру термоститирования желательно выбирать минимальной, т.е. близкой к 60-65°С. Однако для аппаратуры специального назначения часто температуру термостатирования задают при температуре 80°С и даже 85°С, обеспечивая тем самым более широкий температурный диапазон. При подключении цепи термокомпенсации имеется возможность обеспечить высокую стабильность частоты при любой температуре.When SC-cut resonators are used in self-oscillators using the thermal compensation circuit, it is possible to ensure the minimum steepness of the frequency response and thereby increase the frequency stability of the generator with less accuracy in regulating the temperature of the thermostat. At the same time, it is possible to choose the temperature of stating at any desired temperature, regardless of the extremum point of the frequency response of the resonator. To ensure minimal aging of the quartz resonator, it is advisable to choose the thermostating temperature at the minimum, i.e. close to 60-65 ° C. However, for special-purpose equipment, thermostating temperature is often set at a temperature of 80 ° C and even 85 ° C, thereby providing a wider temperature range. When a thermal compensation circuit is connected, it is possible to provide high frequency stability at any temperature.
Повышение стабильности частоты при одновременном снижении точности поддержания температуры в термостате также обеспечивается в генераторах с резонаторами AT-среза. Однако термозависимая цепь для компенсации должна быть несколько более сложной, чем в первом случае, близкой к квадратичной параболе, если температура статирования выбрана вблизи экстремума ТЧХ. Необходимо отметить, что при введении в термостат термозависимой цепи возможно также повысить температуру статирования, например, до 85°С.Improving the frequency stability while reducing the accuracy of maintaining the temperature in the thermostat is also provided in generators with AT-cut resonators. However, the temperature-dependent circuit for compensation should be somewhat more complex than in the first case, close to a quadratic parabola, if the stating temperature is chosen near the extremum of the frequency response. It should be noted that when a temperature-dependent circuit is introduced into the thermostat, it is also possible to increase the statization temperature, for example, to 85 ° C.
Для реализации данного технического решения могут быть использованы например известные из [2], стр.86-100, цепи термокомпенсации.To implement this technical solution, for example, thermal compensation circuits known from [2], pp. 86-100, can be used.
На чертеже представлена функциональная схема термостатированного кварцевого генератора, выполненного согласно п.1 формулы изобретения. The drawing shows a functional diagram of a thermostated quartz oscillator made according to claim 1 of the claims.
Автогенератор 1 (генератор с самовозбуждением) содержит усилитель 2 с колебательной системой 3 и цепью положительной обратной связи. Кварцевый резонатор 4 с цепью термокомпенсации 5, включенный в колебательную систему или цепь обратной связи, размещен внутри термостата 6. Температурой внутри термостата 6 управляет регулятор температуры (терморегулятор) 7 с датчиком температуры 8 и нагревателем 9, которые также размещены внутри термостата 6.The oscillator 1 (generator with self-excitation) contains an amplifier 2 with an oscillatory system 3 and a positive feedback circuit. A quartz resonator 4 with a temperature compensation circuit 5 included in the oscillatory system or feedback circuit is located inside the thermostat 6. The temperature inside the thermostat 6 is controlled by a temperature controller (thermostat) 7 with a temperature sensor 8 and a heater 9, which are also located inside the thermostat 6.
В результате проведенных работ были созданы термостатированные генераторы с пьезоэлементами SC-среза на диапазон частот от 10 до 100 МГц с параметрами, приведенными в таблице 1.As a result of the work performed, thermostated generators with piezoelectric elements of the SC-cut for a frequency range from 10 to 100 MHz with the parameters shown in table 1 were created.
Основные параметры термостатированных генераторов с пьезоэлементами SC-срезаThe main parameters of thermostatically controlled oscillators with piezoelectric elements SC-cut
Источники информацииInformation sources
1. Патент Франции №2660499, МПК Н03В 5/32, 5/04, опубликованный 04.10.92.1. French patent No. 2660499, IPC Н03В 5/32, 5/04, published 04.10.92.
2. Альтшуллер Г.Б., Елфимов Н.Н., Шикулин В.Г. Кварцевые генераторы: Справочное пособие. М.: Радио и связь, 1984. Стр.100-121.2. Altshuller G.B., Elfimov N.N., Shikulin V.G. Quartz Generators: A Reference Guide. M .: Radio and communications, 1984. Pages 100-121.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006103917/09A RU2311726C1 (en) | 2006-02-10 | 2006-02-10 | High-stability temperature-controlled oscillator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006103917/09A RU2311726C1 (en) | 2006-02-10 | 2006-02-10 | High-stability temperature-controlled oscillator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006103917A RU2006103917A (en) | 2007-08-20 |
| RU2311726C1 true RU2311726C1 (en) | 2007-11-27 |
Family
ID=38511792
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006103917/09A RU2311726C1 (en) | 2006-02-10 | 2006-02-10 | High-stability temperature-controlled oscillator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2311726C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU216188U1 (en) * | 2022-09-30 | 2023-01-23 | Акционерное общество "Научно-производственный центр "Алмаз-Фазотрон" | Device for thermal stabilization of the SAW resonator |
-
2006
- 2006-02-10 RU RU2006103917/09A patent/RU2311726C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| АЛЬТШУЛЛЕР Г.Б. и др. Кварцевые генераторы. - М.: Радио и связь, 1984, с.100-121. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU216188U1 (en) * | 2022-09-30 | 2023-01-23 | Акционерное общество "Научно-производственный центр "Алмаз-Фазотрон" | Device for thermal stabilization of the SAW resonator |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006103917A (en) | 2007-08-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2482458B1 (en) | Oscillation device | |
| CA1104664A (en) | Quartz crystal oscillator | |
| CN107134995B (en) | Crystal oscillator with thermostatic bath | |
| US20180013384A1 (en) | Temperature-compensated crystal oscillator based on analog circuit | |
| WO2015151870A1 (en) | Oscillator | |
| US4223524A (en) | Quartz oscillation circuit for electronic timepieces | |
| CN208226977U (en) | A kind of constant-temperature crystal oscillator based on temperature-compensating | |
| JP2008311884A (en) | Oscillation frequency control method, and oscillator | |
| RU2311726C1 (en) | High-stability temperature-controlled oscillator | |
| US3641461A (en) | Temperature compensated crystal oscillator | |
| JP5970275B2 (en) | High stability oscillator | |
| US3697890A (en) | Wide deviation voltage controlled crystal oscillator with temperature compensation | |
| JP4455979B2 (en) | Crystal oscillator | |
| RU2726170C1 (en) | Generator with dynamic heating of saw resonator thermostat | |
| RU2731367C1 (en) | Saw-generator with double thermostat | |
| RU102279U1 (en) | THERMOSTATED QUARTZ GENERATOR | |
| JPH02203605A (en) | Temperature compensation crystal oscillator | |
| CN110198155A (en) | A kind of digital temperature compensation crystal oscillator | |
| SU907764A1 (en) | Temperature compensated crystal generator | |
| JP2001257531A (en) | Crystal oscillator | |
| JP2017073728A (en) | Crystal oscillator | |
| Rohde et al. | Noise minimization techniques for voltage controlled crystal oscillator (VCXO) circuits | |
| RU2265274C1 (en) | Crystal oscillator frequency stabilization device | |
| JPH1141032A (en) | Temperature controller for crystal oscillator | |
| JPH0832348A (en) | Oscillator using quartz oscillator of sc cut |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080211 |