RU2323517C1

RU2323517C1 - Temperature-controlled piezoelectric oscillator

Info

Publication number: RU2323517C1
Application number: RU2006143523/09A
Authority: RU
Inventors: Семен Владимирович Богуславский (RU); Семен Владимирович Богуславский; Валентин Петрович Литвинов (RU); Валентин Петрович Литвинов; Константин Георгиевич Горшков (RU); Константин Георгиевич Горшков
Original assignee: Закрытое акционерное общество "БМГ-Кварц"
Priority date: 2006-12-08
Filing date: 2006-12-08
Publication date: 2008-04-27

Abstract

FIELD: electrical engineering; highly stabilized oscillation sources; temperature-controlled oscillators incorporating piezoelectric resonators.

SUBSTANCE: piezoelectric resonator case made of high-conductivity material ensuring uniform temperature field throughout entire plane of piezoelectric wafer at ambient temperature variations functions as heat-distributing chamber of proposed device. Oscillator has external hermetically sealed housing with cover that mounts first printed-circuit board carrying circuit components whose temperature is not controlled and piezoelectric resonator case. Temperature-controlled components of oscillator circuit and piezoelectric resonator case are disposed on opposite main edges of second printed-circuit board secured on heat-insulated spacer provided with recesses to receive resonator case. Space between inner surface of external housing cover and oscillator circuit components is filled with material of low heat conductivity.

EFFECT: reduced mass and size of device at high frequency stability within wide temperature range.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к области пьезотехники, и может быть использовано при разработке термостатированных генераторов с пьезоэлектрическими резонаторами.The invention relates to electronics, in particular to the field of piezoelectric technology, and can be used in the development of thermostatically controlled oscillators with piezoelectric resonators.

Высокостабильные автогенераторы, в которых используют кварцевые резонаторы, 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.Highly stable oscillators that use quartz resonators 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 and others. In particular, the use of quartz oscillators in navigation equipment and space equipment places high demands on them for stability you are in a wide range termperatur to weight and size and power consumption.

Чтобы обеспечить высокую термостабильность частоты в широком диапазоне температур, в автогенераторах используют термокомпенсацию уходов частоты кварцевого резонатора или его термостабилизацию.In order to ensure high thermal stability of the frequency in a wide temperature range, temperature compensators of the quartz resonator frequency deviations or its thermal stabilization are used in self-oscillators.

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 в диапазоне температур от минус 50°С до плюс 60°С.The current achievements 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 in the temperature range from minus 50 ° С to plus 60 ° С .

Более высокой стабильностью частоты в широком диапазоне температур обладают термостатированные кварцевые генераторы. Их стабильность частоты в интервале температур от -10 до +70°С при современных элементной базе и технологии изготовления микросхем составляет порядка Δf/f=±(1...5)·10^-8 при минимальных габаритах 36×27×16. Развитие радиоэлектроники в последние годы и непрерывное совершенствование радиоаппаратуры требуют постоянного совершенствования термостатированных генераторов, в частности не только повышения стабильности частоты, уменьшения фазовых шумов, но и уменьшения габаритов.Thermostated quartz oscillators have higher frequency stability over a wide temperature range. Their frequency stability in the temperature range from -10 to + 70 ° С with modern element base and microcircuit manufacturing technology is about Δf / f = ± (1 ... 5) · 10 ^-8 with a minimum size of 36 × 27 × 16. The development of radio electronics in recent years and the continuous improvement of radio equipment require constant improvement of thermostatically controlled oscillators, in particular, not only increasing frequency stability, reducing phase noise, but also reducing overall dimensions.

Известен термостатированный кварцевый генератор, описанный в патенте РФ №2122278, МПК Н03В 5/32, 5/36, 1997, содержащий наружный корпус и размещенную в нем печатную плату с установленными на ней нетермостатируемыми элементами схемы генератора, а также установленную на этой плате теплораспределяющую камеру, в которой размещен резонатор, а снаружи, на боковых стенках теплораспределяющей камеры, установлены нагревательные элементы, при этом теплораспределяющая камера и крышка, которой она снабжена, выполнены из материала с высокой теплопроводностью. Однако необходимо отметить, что при относительно высокой температурной стабильности частоты, известная конструкция не обеспечивает эту стабильность в широком диапазоне температур и имеет значительные массогабаритные характеристики, что ограничивает область применения таких генераторов.Known thermostatic quartz generator described in RF patent No. 2122278, IPC НВВ 5/32, 5/36, 1997, containing an outer casing and a printed circuit board with non-thermostatic generator circuit elements installed on it, as well as a heat-distributing chamber mounted on this board in which the resonator is located, and outside, on the side walls of the heat distribution chamber, heating elements are installed, while the heat distribution chamber and the lid with which it is provided are made of a material with high thermal conductivity Yu. However, it should be noted that with relatively high temperature stability of the frequency, the known design does not provide this stability in a wide temperature range and has significant weight and size characteristics, which limits the scope of such generators.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому генератору является термостатированный кварцевый генератор по патенту РФ №2207704, МПК Н03Н 5/32, с приоритетом от 31.08.2001, опубликованный в Бюл. №18, 27.06.2003. Термостатированный кварцевый генератор содержит наружный корпус, печатную плату с установленными на ней нетермостатируемыми элементами схемы генератора и теплораспределяющей камерой, в которой размещен резонатор, а на ее боковых стенках установлены нагревательные элементы, при этом теплораспределяющая камера выполнена в виде тонкостенного прямоугольного параллепипеда, нижняя грань которого является основанием теплораспределяющей камеры, а в центральной части основания установлен держатель, в котором закреплены кварцевый резонатор, имеющий прямоугольную форму, и датчик температуры, при этом нагревательные элементы размещены симметрично относительно плоскости симметрии теплораспределяющей камеры.The closest in technical essence and the achieved result to the claimed generator is a thermostated quartz oscillator according to the patent of the Russian Federation No. 2207704, IPC Н03Н 5/32, with priority dated 08/31/2001, published in Bull. No. 18, 06/27/2003. The thermostatically controlled quartz oscillator contains an outer casing, a printed circuit board with non-thermostatically controlled elements of the generator circuit and a heat distribution chamber in which the resonator is installed, and heating elements are installed on its side walls, while the heat distribution chamber is made in the form of a thin-walled rectangular parallelepiped, the lower face of which is the base of the heat distribution chamber, and in the central part of the base there is a holder in which quartz resonance is fixed a rectangular shape and a temperature sensor, while the heating elements are placed symmetrically with respect to the plane of symmetry of the heat distribution chamber.

Данная конструкция, однако, не может обеспечить малые габариты генератора при высокой температурной стабильности частоты в широком интервале температур, поскольку большой объем занимает тепловая камера с размещенным внутри нее держателем кварцевого резонатора. А нагреватели на боковых стенках теплораспределяющей камеры не могут обеспечить постоянство распределения температурного градиента внутри камеры. При изменении температуры окружающей среды нагреваемый тепловой поток внутри камеры постоянно движется вверх, поскольку верхняя грань теплораспределяющей камеры всегда в большей степени охлаждается. Скорость движения теплового потока при этом зависит от температуры окружающей среды, что вызывает соответственно изменение температурного градиента при изменении температуры.This design, however, cannot provide small dimensions of the generator with high temperature stability of the frequency in a wide temperature range, since a large volume is occupied by a thermal chamber with a holder of a quartz resonator placed inside it. And the heaters on the side walls of the heat distribution chamber cannot ensure the constancy of the distribution of the temperature gradient inside the chamber. When the ambient temperature changes, the heated heat flow inside the chamber constantly moves upward, since the upper face of the heat-distributing chamber always cools to a greater extent. The speed of the heat flow in this case depends on the ambient temperature, which causes a corresponding change in the temperature gradient with temperature.

Задачей, которую решает данное изобретение, является уменьшение массогабаритных характеристик при сохранении высокой стабильности частоты в широком интервале температур.The problem that this invention solves is the reduction of weight and size characteristics while maintaining high frequency stability in a wide temperature range.

Технический результат достигается за счет того, что в термостатированный пьезоэлектрический генератор, содержащий схему генератора с пьезоэлектрическим резонатором и буферным усилительным каскадом, регулятор температуры с датчиком температуры и нагревательными элементами, размещенными внутри наружного корпуса, на основании которого закреплена первая печатная плата с установленными на ней нетермостатируемыми элементами схемы генератора и теплоизоляционной прокладкой, с размещенной па пей теплораспределяющей камерой, при этом термостатируемые элементы схемы генератора и пьезоэлектрический резонатор размещены на второй печатной плате, в качестве теплораспределяющей камеры используется корпус пьезоэлектрического резонатора, выполненный из никеля, меди или другого материала с высокой теплопроводностью, при этом в теплоизоляционной прокладке выполнено углубление с возможностью размещения в нем пьезоэлектрического резонатора, а терморегулятор с нагревательными элементами размещен на второй печатной плате, толщина которой выбрана, по крайней мере, в два раза меньше толщины первой печатной платы и ее обратная сторона покрыта материалом с высокой теплопроводностью, имеющим тепловой контакт с корпусом пьезоэлектрического резонатора, который размещен с обратной стороны второй печатной платы, а его выводы подведены к контактным площадкам схемы генератора через изолированные участки, при этом пространство между внешней поверхностью элементов схемы генератора и внутренней поверхностью наружного корпуса заполнено материалом с низкой теплопроводностью.The technical result is achieved due to the fact that in a thermostatically controlled piezoelectric generator containing a generator circuit with a piezoelectric resonator and a buffer amplifier stage, a temperature controller with a temperature sensor and heating elements located inside the outer casing, on the basis of which the first printed circuit board with non-temperature-controlled installed on it is fixed elements of the generator circuit and a heat-insulating gasket, with a unit located heat-distributing chamber, while the bridge elements of the generator circuit and the piezoelectric resonator are placed on the second printed circuit board, the case of the piezoelectric resonator made of nickel, copper or other material with high thermal conductivity is used as the heat distribution chamber, while the recess is made in the heat-insulating pad with the possibility of placing the piezoelectric resonator in it, and a temperature regulator with heating elements is placed on a second printed circuit board, the thickness of which is selected at least twice m thinner than the thickness of the first printed circuit board and its reverse side is covered with a material with high thermal conductivity that has thermal contact with the housing of the piezoelectric resonator, which is located on the reverse side of the second printed circuit board, and its conclusions are brought to the contact pads of the generator circuit through isolated sections, while the space between the outer the surface of the elements of the generator circuit and the inner surface of the outer casing is filled with a material with low thermal conductivity.

Сущность технического решения поясняется чертежами. На фиг.1 (вид сбоку) и фиг.2 (вид сверху) представлен один из вариантов конструкции термостатированного пьезоэлектрического генератора.The essence of the technical solution is illustrated by drawings. Figure 1 (side view) and figure 2 (top view) presents one of the design options of a thermostatically controlled piezoelectric generator.

Согласно формуле изобретения термостатированный пьезоэлектрический генератор содержит показанные на фиг.1 и 2 наружный герметичный корпус с крышкой 1 и основанием 2, на котором закреплена первая печатная плата 3 с установленными на ней нетермостатируемыми элементами схемы генератора 4 (в частности, элементами схемы буферного усилительного каскада и стабилизатора напряжения) и корпусом пьезоэлектрического резонатора 5, выполняющего одновременно роль теплораспределяющей камеры. Термостатируемые элементы схемы генератора 6, в частности терморегулятор с одним или несколькими нагревательными элементами и пьезоэлектрический резонатор с корпусом 5, размещены на противоположных главных гранях второй печатной платы 7, которая закреплена на теплоизоляционной прокладке 8 с выполненным в ней углублением для размещения в нем корпуса пьезоэлектрического резонатора 5. Нижняя грань теплоизоляционной прокладки 8 закреплена на основании корпуса термостатированного пьезоэлектрического генератора 2, а пространство между внутренней поверхностью крышки 1 наружного герметичного корпуса и элементами схемы генератора заполнено материалом с низкой теплопроводностью 9, который обеспечивает дополнительно сохранение тепла, в том числе возникающее из-за конвекции и излучения элементами схемы.According to the claims, the thermostatically controlled piezoelectric generator contains the external sealed enclosure shown in FIGS. 1 and 2 with a cover 1 and a base 2, on which a first printed circuit board 3 is mounted with non-thermostable elements of the generator circuit 4 installed on it (in particular, elements of the buffer amplifier stage circuit and voltage stabilizer) and the body of the piezoelectric resonator 5, which simultaneously performs the role of a heat distribution chamber. Thermostatically controlled elements of the generator circuit 6, in particular, a thermostat with one or more heating elements and a piezoelectric resonator with a housing 5, are located on opposite main faces of the second printed circuit board 7, which is mounted on a heat-insulating gasket 8 with a recess in it for placement of the piezoelectric resonator body 5. The lower edge of the insulating gasket 8 is fixed to the base of the thermostatic piezoelectric generator 2, and the space between the inside The surface of the cover 1 of the outer sealed enclosure and the elements of the generator circuit is filled with a material with low thermal conductivity 9, which provides additional heat storage, including due to convection and radiation by the circuit elements.

Технический результат - уменьшение массогабаритных характеристик при сохранении высокой стабильности частоты в широком интервале температур - достигается за счет исключения отдельной теплораспределяющей камеры, функции которой выполняет в данном устройстве корпус пьезоэлектрического резонатора, обеспечения равномерного температурного поля по всей площади пьезоэлектрической пластины при изменении температуры окружающей среды, поскольку нагревается верхняя поверхность корпуса пьезоэлектрического резонатора 5, которая параллельна основной грани пьезоэлектрической пластины. Поскольку пьезоэлектрическая пластина размещена между двумя параллельными нагреваемыми поверхностями корпуса резонатора, это обеспечивает отсутствие тепловых потоков. В качестве нагревателя использован транзистор выходного каскада схемы регулятора температуры, размещенного на второй печатной плате 7, выбор толщины которой значительно меньше толщины первой печатной платы, обеспечивает быстрый прогрев размещенной на ее противоположной грани фольги с высокой теплопроводностью. А использование фольги второй грани печатной платы в качестве элемента нагрева корпуса пьезоэлектрического резонатора 5 обеспечивает равномерное распределение тепла по основной нагреваемой грани корпуса пьезоэлектрического резонатора, а также уменьшение габаритов. Причем корпус резонатора, если он выполнен из никеля, который обладает меньшей теплопроводностью, чем медь, может быть дополнительно обвернут фольгой из меди, с толщиной порядка высоты бортика для сварки корпуса с основанием резонатора. Причем медная фольга должна доходить только до сварочного бортика, чтобы обеспечить надежный механический и тепловой контакт корпуса резонатора с фольгой второй грани печатной платы. Если же корпус резонатора выполнен из меди, но имеет сварочный бортик, то для обеспечения надежного теплового контакта он также может быть жестко соединен с фольгой печатной платы через медную пластинку или для повышения технологичности обвернут фольгой из меди с соответствующей толщиной. Внешняя температура окружающей среды обеспечивает минимальное воздействие на корпус пьезоэлектрического резонатора 5, выполняющий одновременно роль теплораспределяющей камеры, за счет того, что она не имеет непосредственного теплового контакта с наружным корпусом 1 и основанием 2, от которого она изолирована теплоизоляционной прокладкой 8. Дополнительную теплоизоляцию обеспечивает также материал с низкой теплопроводностью 9, которым заполнено пространство между внешней поверхностью всех элементов схемы генератора и внутренней поверхностью наружного корпуса 1.The technical result - the reduction of weight and size characteristics while maintaining high frequency stability in a wide temperature range - is achieved by eliminating a separate heat distribution chamber, the functions of which are performed by the body of the piezoelectric resonator in this device, ensuring a uniform temperature field over the entire area of the piezoelectric plate when the ambient temperature changes, since the upper surface of the body of the piezoelectric resonator 5, which is parallel and the main face of the piezoelectric plate. Since the piezoelectric plate is placed between two parallel heated surfaces of the resonator housing, this ensures the absence of heat fluxes. A transistor of the output stage of the temperature controller circuit used on the second printed circuit board 7, the choice of the thickness of which is much smaller than the thickness of the first printed circuit board, provides fast heating of the foil with high thermal conductivity located on its opposite side. And the use of the foil of the second face of the printed circuit board as a heating element of the body of the piezoelectric resonator 5 provides a uniform distribution of heat along the main heated face of the body of the piezoelectric resonator, as well as reducing the size. Moreover, the resonator body, if it is made of nickel, which has a lower thermal conductivity than copper, can be additionally wrapped with copper foil, with a thickness of the order of the side height for welding the body with the resonator base. Moreover, the copper foil should only reach the weld bead to ensure reliable mechanical and thermal contact of the resonator body with the foil of the second face of the printed circuit board. If the resonator case is made of copper but has a welding flange, then to ensure reliable thermal contact, it can also be rigidly connected to the printed circuit board foil through a copper plate or wrapped with copper foil with an appropriate thickness to increase processability. The external ambient temperature provides minimal impact on the body of the piezoelectric resonator 5, which simultaneously acts as a heat-distributing chamber, due to the fact that it does not have direct thermal contact with the outer case 1 and the base 2, from which it is insulated with a heat-insulating gasket 8. Additional thermal insulation also provides material with low thermal conductivity 9, which fills the space between the outer surface of all elements of the generator circuit and the inner surface ited outer housing 1.

Кварцевый генератор был выполнен в корпусе для микросхем 155 серии с габаритными размерами 30×20×10 мм. В результате объем составил 6 см², что значительно меньше по сравнению с объемом прототипа 26,1 см².The quartz oscillator was made in the housing for 155 series microcircuits with overall dimensions of 30 × 20 × 10 mm. As a result, the volume was 6 cm ² , which is significantly less compared with the volume of the prototype 26.1 cm ² .

В генераторе в частности были использованы кварцевые резонаторы АТ-среза с экстремумом ТЧХ при температуре +(72÷73)°С, которая соответствовала температуре термостатирования.In the generator, in particular, AT-cut quartz resonators with an TCH extremum at a temperature of + (72 ÷ 73) ° С, which corresponded to the temperature of thermostating, were used.

При проведении температурных испытаниях кварцевого генератора были получены следующие результаты;When conducting temperature tests of a quartz oscillator, the following results were obtained;

Температурная стабильность частотыFrequency Temperature Stability

в интервале температур (-40÷+70)°С составила ±1,2·10^-8;in the temperature range (-40 ÷ + 70) ° С it was ± 1.2 · 10 ^-8 ;

в интервале температур (-10÷+60)°С составила ±0,5·10^-8 in the temperature range (-10 ÷ + 60) ° C was ± 0.5 · 10 ^-8

Claims

A thermostatically controlled piezoelectric generator containing a generator circuit with a piezoelectric resonator and a buffer amplifier stage, a thermostat with heating elements located inside the outer casing, on the basis of which the first printed circuit board is mounted with non-thermostatically controlled elements of the generator circuit and a heat-insulating pad with a heat-distributing chamber placed on it while thermostatic elements of the generator circuit and the piezoelectric resonator are placed and a second printed circuit board, characterized in that the body of the piezoelectric resonator made of nickel, copper or other material with high thermal conductivity is used as a heat-distributing chamber, while in the heat-insulating gasket a recess is made with the possibility of placing the body of the piezoelectric resonator in it, and the thermostat with heating elements placed on the second printed circuit board, the thickness of which is selected at least two times less than the thickness of the first printed circuit board and its reverse side is coated with a material with high thermal conductivity that has thermal contact with the piezoelectric resonator housing, which is located on the back of the second printed circuit board, and its conclusions are led to the contact pads of the generator circuit through isolated sections, while the space between the outer surface of the generator circuit elements and the inner surface of the outer the housing is filled with a material with low thermal conductivity.