TWI523410B - 恒溫槽控制晶體振盪器的溫度控制電路 - Google Patents

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Description

恒溫槽控制晶體振盪器的溫度控制電路 【相關申請案的交叉參考】
本申請案主張2012年4月16日申請的日本專利申請案第2012-092996號的優先權。本申請案還主張2011年7月8日申請的日本專利申請案第2011-151472號的優先權。以上所提到的專利申請案中每一個的全部內容皆以引用方式併入本文中。
本發明是有關於一種能夠獲得高穩定性振盪頻率的恒溫槽控制晶體振盪器(oven-controlled crystal oscillator，OCXO)，且更明確地說，是有關於一種能夠實施極好溫度特性的恒溫槽控制晶體振盪器的溫度控制電路。
<現有技術>
恒溫槽控制晶體振盪器用以通過維持晶體單元(crystal unit)的恒定操作溫度，在不產生視頻率/溫度特性而定的頻率變化的情況下，而獲得高穩定性振盪頻率。晶體單元儲存於恒溫爐中，且所述恒溫爐經控制以使用溫度控制電路來維持恒定的內部溫度。
<現有技術中的恒溫槽控制晶體振盪器的溫度控制電路：圖8>
將參考圖8，來描述現有技術中的恒溫槽控制晶體振盪器的溫度控制電路。圖8為繪示現有技術中的恒溫槽控制晶體振盪器的溫度控制電路的電路圖。如圖8中所繪示，現有技術中的恒溫槽控制晶體振盪器的溫度控制電路 基本上包含：熱敏電阻TH、差分放大器(differential amplifier，OPAMP)IC 10、功率電晶體Tr1以及加熱器電阻器HR。
<連接關係>
將電源電壓DC施加至加熱器電阻器HR的一個末端，加熱器電阻器HR的另一末端連接至功率電晶體Tr1的集極，且功率電晶體Tr1的射極連接至地面GND。
也將電源電壓DC施加至熱敏電阻TH的一個末端，所述熱敏電阻TH的另一末端連接至電阻器R1的一個末端，且電阻器R1的另一末端接地。另外，還將電源電壓DC施加至電阻器R2的一個末端，電阻器R2的另一末端連接至電阻器R3的一個末端，且電阻器R3的另一末端接地。此外，儘管未繪示於圖式中，但將電源電壓DC作為驅動電壓施加至差分放大器IC 10、且也連接至地面GND。
熱敏電阻TH的另一末端與電阻器R1的一個末端之間的節點通過電阻器R4而連接至差分放大器IC 10的一個端子(負(-))；且電阻器R2的另一末端與電阻器R3的一個末端之間的節點連接至差分放大器IC 10的另一端子(正(+))。另外，差分放大器IC 10的負端子(-)和輸出端子通過電阻器R5而連接。差分放大器IC 10的輸出端子連接至功率電晶體Tr1的基極。
<每一個單元>
熱敏電阻TH為溫度感應元件(其電阻值視溫度而改變)，且檢測晶體單元的操作溫度。熱敏電阻TH與電阻器R1之間的電壓通過電阻器R4而輸入至一個輸入端子(負 (-))，差分放大器IC 10的輸出通過電阻器R5而反饋且輸入，且電阻器R2與R3之間的電壓被輸入至另一輸入端子(正(+))，使得差分放大器IC 10放大且輸出兩個輸入端子的電壓差。
功率電晶體Tr1為NPN型電晶體，其中差分放大器IC 10的輸出被輸入至基極，且電流視基極電流而在集極與射極之間流動，使得電流也流動至加熱器電阻器HR。加熱器電阻器HR產生視流動的電流而定的熱。此處，功率電晶體Tr1和加熱器電阻器HR充當熱源。
在OCXO中，如果熱源、熱敏電阻TH的感測器、以及晶體單元可集成至單一主體(single body)中，那麼溫度特性性能得以改進。然而，因為以上所描述的三個零件實際上並未電連接，所以其不實體連接。出於此原因，將所述三個零件佈置地盡可能靠近，且在其間插入例如樹脂的絕緣材料。然而，此絕緣材料的熱導率一般較低。例如，矽樹脂即使在其性能極好時，也只具有大約2 W/m．k的熱導率。
在熱源中，儘管功率電晶體Tr1的集極端子部分產生熱，但總是產生電位。加熱器電阻器HR是由作為基極材料的陶瓷構成，且在加熱器電阻器HR的頂表面上形成發熱電阻薄膜(heat-generating resistance film)，以便自發熱電阻薄膜產生熱。然而，已知加熱器電阻器HR和功率電晶體Tr1的熱源，視環境溫度變化而產生不同的發熱量(heat amount)。
<對比於電流的發熱量：圖9>
將參考圖9，來描述對比於流過溫度控制電路的電流的發熱量。圖9為繪示發熱量的曲線圖。在圖9中，橫坐標表示電流，且縱坐標表示發熱量。如圖9中所繪示，功率電晶體Tr1的發熱量不同於加熱器電阻器HR的發熱量，且通過加總兩個發熱量而獲得的總發熱量變為熱源的發熱量。因此，當環境溫度改變時，在功率電晶體Tr1的發熱量與加熱器電阻器HR的發熱量之間產生一差。
<相關技術>
作為相關技術，揭示以下各者：轉讓給東洋通信機株式會社(TOYO Communication Equipment Co.,Ltd)的日本專利申請案早期公開案第H11-317622號中的“晶體振盪器的溫度控制電路(Temperature Contro Circuit For Crystal Oscillator)”(後文中稱作專利文獻1)；轉讓給京瓷株式會社(KYOCERA Corp.)的日本專利申請案早期公開案第2004-207870號中的“用於壓電振動器的封裝，以及使用用於壓電振盪器的封裝的恒定溫度振盪器(Package for Piezoelectric Vibrator,and Constant Temperature Oscillator Employing the Same)”(後文中稱作專利文獻2)；轉讓給東洋通信機株式會社(TOYO Communication Equipment Co.,Ltd)的日本專利申請案早期公開案第2005-117093號中的“溫度控制電路以及使用溫度控制電路的高穩定性晶體振盪器(Temperature Control Circuit and High Stability Crystal Oscillator Employing the Same)”(後文中稱作專利文獻3)；以及轉讓給日本電波工業株式會社(Nihon Dempa Kogyo Co.,Ltd.)的日本專利第4855087號中的“恒定溫度 晶體振盪器(Constant Temperature Crystal Oscillator)”(後文中稱作專利文獻4)。
專利文獻1揭示了溫度控制電路，用於控制晶體振盪器中的恒溫爐的溫度，其中加熱元件的控制電流可經控制、通過選擇熱敏電阻的高電阻值而視檢測溫度增大。
專利文獻2揭示恒溫振盪器，其中通過第二封裝以密封方式而包封具有壓電裝置的第一封裝，以真空化第二封裝的外殼部分。
專利文獻3揭示高穩定性晶體振盪器的溫度控制電路，所述高穩定性晶體振盪器包含：用於使用第一熱敏電阻和電阻器來分割恒定電壓的第一分壓電路、用於使用第二熱敏電阻和可變電阻器來分割恒定電壓的第二分壓電路，以及用於將由第一分壓電路分割的電壓輸入至正(+)輸入端子、並且將由第二分壓電路分割的電壓輸入至負(-)輸入端子的差分放大器。
專利文獻4揭示恒溫晶體振盪器(constant temperature crystal oscillator)，其中連接至晶體單元的虛擬端子(dummy terminal)的電路板的板側中的虛擬端子是：通過導電路徑而連接至板側中的電阻器端子，所述電阻器端子連接至溫度感應電阻器。
然而，在現有技術中的恒溫槽控制晶體振盪器中，如以上所描述，已知作為熱源的加熱器電阻器HR和功率電晶體Tr1，視環境溫度的改變而具有不同的發熱量。由此，存在一個問題，即在現有技術中的恒溫槽控制晶體振盪器中，當環境溫度改變時產生了溫差，使得振盪器的溫度特 性降級。
由於將來自電源的電壓也施加至熱敏電阻TH(此熱敏電阻TH為如圖8中所繪示的感測器)，所以難以與熱源進行直接接觸。因此，熱傳遞效率惡化，且難以有效地使用最小的熱來維持恒定溫度。
<限流電路的添加：圖10>
在這一點上，可以想到如圖10中所繪示，將限流電路添加至溫度控制電路。將參考圖10，來描述具有限流電路的溫度控制電路。圖10為繪示具有限流電路的溫度控制電路的電路圖。在圖10的溫度控制電路中，與圖8的電路相比較而言，提供了限流電晶體Tr2，所述電晶體Tr2的集極連接至功率電晶體Tr1的基極(在所述基極中輸入差分放大器IC 10的輸出)，且電晶體Tr2的基極連接至功率電晶體Tr1的射極且通過電阻器R6接地。另外，電晶體Tr2的射極接地。此處，功率電晶體Tr1和限流電晶體Tr2為NPN型電晶體。
當流過功率電晶體Tr1的基極的電流增大、且在集極與射極之間流動的電流隨著來自差分放大器IC 10的輸出電壓增大而增大時，在電晶體Tr2的集極與射極之間流動的最大電流會受到電流檢測電阻器R6和限流電晶體Tr2控制。同時，施加至功率電晶體Tr1和加熱器電阻器HR的電壓可經調整，以控制每一個元件的發熱量(電功率)。
在圖10的電路中，由於為了限制功率電晶體Tr1的電流，使限流電晶體Tr2的基極與射極之間的電壓VBE為約0.7 V是必要的，所以，作為熱源的功率電晶體Tr1和加熱 器電阻器HR的總發熱量(電功率)不利地被減小。另外，由於電位被施加至功率電晶體Tr1的集極，所以，難以在熱敏電阻TH與功率電晶體Tr1的集極側之間進行直接電連接。因此，需要進一步改進熱傳遞效率。
專利文獻1和2未能考慮到：通過防止熱擴散，而對電路中的熱傳導效率的進一步改進。另外，儘管溫度感測器的靈敏度可得以改進，但專利文獻3未能提供：用於通過將功率電晶體用作熱源，來在功率電晶體與熱敏電阻之間進行直接連接的配置。
在圖8的電路中，儘管進行了控制以自熱源產生熱，從而使得由熱敏電阻TH(溫度感測器)檢測到的溫度維持恒定，但待穩定而作為晶體振盪器的元件是晶體單元。即使在溫度感測器的檢測溫度維持恒定時，由於熱阻(thermal resistance)的影響而仍在檢測溫度與晶體單元之間產生了溫差。由此，溫度感測器與晶體單元之間的溫差引起了無用的熱輻射或不穩定的溫度。
為了減小溫度感測器與晶體單元之間的溫差，有必要將晶體單元、溫度感測器以及熱源集成至單一主體中。由此，有必要提供大的熱腔(thermal chamber)。另外，當熱阻增大時，擺動現象(hunting phenomenon)發生，使得所述輸出進行波動。此情形使得難以設計控制系統。
<改進的恒溫爐控制電路：圖11>
為了解決前述問題，已經提出了圖11的電路。圖11為繪示改進的恒溫爐控制電路(thermostatic oven control circuit)的電路圖。如圖11中所繪示，所述改進的恒溫爐 控制電路基本類似於圖8的電路。然而，所述改進的恒溫爐控制電路和圖8的電路的不同之處在於，晶體單元的虛擬端子通過金屬蓋罩，而連接至熱敏電阻TH與電阻器R20之間的節點。
在圖11的電路中，可通過連接晶體單元封裝與溫度感測器，來減小晶體單元與溫度感測器之間的熱阻。然而，由於在晶體單元與熱源之間的熱阻、與溫度感測器與熱源之間的熱阻之間不存在電連接，所以熱阻具有任意值，且難以完全去除前述影響。另外，如圖11中所繪示的專利文獻4中所揭示的電路，也無法解決：對於因難以電連接晶體單元、溫度感測器以及熱源的事實而造成的影響。
因此，需要一種恒溫槽控制晶體振盪器的溫度控制電路，具有極好溫度特性，能夠防止熱擴散、且改進溫度控制電路中的熱傳導效率
根據本發明的一方面，提供一種恒溫槽控制晶體振盪器中的恒溫爐的溫度控制電路，其包含：加熱器電阻器，具有：被供應電源電壓以產生熱的一個末端；第一電阻器，具有：被供應電源電壓的一個末端；熱敏電阻，所述熱敏電阻的一個末端被連接至所述第一電阻器的另一末端，且所述熱敏電阻的另一末端接地，使得通過將電阻值設置為能夠視溫度變化、而將視溫度而定的電壓輸出至所述熱敏電阻的所述一個末端；第二電阻器，具有：被供應電源電壓的一個末端；第三電阻器，所述第三電阻器的一個末端連接至所述第二電阻器的另一末端，且所述第三電阻器的 另一末端接地；差分放大器，所述差分放大器的一個輸入端子接收所述第一電阻器的另一末端與所述熱敏電阻的所述一個末端之間的電壓，所述差分放大器的另一輸入端子接收所述第二電阻器的另一末端與所述第三電阻器的所述一個末端之間的電壓，以及通過第四電阻器將輸出反饋至所述差分放大器的所述一個輸入端子，使得由所述差分放大器的所述另一輸入端子接收的電壓與由所述差分放大器的所述一個輸入端子接收的電壓之間的差經放大及經輸出而作為控制電壓；PNP型功率電晶體，具有：連接所述加熱器電阻器的另一末端的射極、接收所述差分放大器的輸出的基極，以及接地的集極；以及PNP型限流電晶體，具有：被供應電源電壓的射極、接收所述加熱器電阻器的另一末端與所述PNP型功率電晶體的所述射極之間的電壓的基極，以及連接至所述PNP型功率電晶體的所述基極的集極。
根據本發明的另一方面，提供一種恒溫槽控制晶體振盪器中的恒溫爐的溫度控制電路，其包含：加熱器電阻器，具有：被供應電源電壓以產生熱的一個末端；第一電阻器，具有：被供應電源電壓的一個末端；熱敏電阻，所述熱敏電阻的一個末端被連接至所述第一電阻器的另一末端，且所述熱敏電阻的另一末端接地，使得通過將電阻值設置為能夠視溫度變化、而將視溫度而定的電壓輸出至所述熱敏電阻的所述一個末端；第二電阻器，具有：被供應電源電壓的一個末端；第三電阻器，所述第三電阻器的一個末端連接至所述第二電阻器的另一末端，且所述第三電阻器的 另一末端接地；差分放大器，所述差分放大器的一個輸入端子接收所述第一電阻器的另一末端與所述熱敏電阻的所述一個末端之間的電壓，所述差分放大器的另一輸入端子接收所述第二電阻器的另一末端與所述第三電阻器的所述一個末端之間的電壓，以及通過第四電阻器將輸出反饋至所述差分放大器的所述一個輸入端子，使得由所述差分放大器的所述另一輸入端子接收的電壓與由所述差分放大器的所述一個輸入端子接收的電壓之間的差經放大及經輸出而作為控制電壓；P型場效應功率電晶體(功率金氧半導體場效應電晶體(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET))，具有：連接所述加熱器電阻器的另一末端的源極、接收所述差分放大器的輸出的閘極，以及接地的汲極；以及PNP型限流電晶體，具有：被供應電源電壓的射極、接收所述加熱器電阻器的另一末端與所述P型場效應功率電晶體的所述源極之間的電壓的基極，以及連接至所述P型場效應功率電晶體的所述閘極的集極。
將參考附圖來描述本發明的實施例。
<實施例的概述>
在根據本文中所揭示的示範性實施例的恒溫槽控制晶體振盪器的溫度控制電路中，使用金屬共用圖案將PNP型功率電晶體的集極側和熱敏電阻的一個末端連接至地面電平(ground level)，提供PNP型限流電晶體以限制流過連接至功率電晶體的射極的加熱器電阻器的電流，且熱源被統一至功率電晶體中以防止熱擴散，從而使得功率電晶 體的集極的熱可有效地傳遞至共同連接的熱敏電阻。因此，可改進熱響應性且實施具有極好溫度特性的振盪器。
在根據本文中所揭示的實施例的恒溫槽控制晶體振盪器的溫度控制電路中，使用金屬共用圖案將P型功率MOSFET的汲極側和熱敏電阻的一個末端連接至地面電平，提供PNP型限流電晶體以限制流過連接至功率MOSFET的源極的加熱器電阻器的電流，且熱源被統一至功率MOSFET中以防止熱擴散，從而使得功率MOSFET的汲極的熱可有效地傳遞至共同連接的熱敏電阻。因此，可改進熱響應性且實施具有極好溫度特性的振盪器。
根據本文中所揭示的實施例的恒溫槽控制晶體振盪器具備：以上所描述的溫度控制電路。在根據本文中所揭示的實施例的恒溫槽控制晶體振盪器中，可防止熱輻射至外部，且可通過在真空下包封金屬蓋罩的內部而使用最小的熱，來維持內部的恒定溫度。
<恒溫槽控制晶體振盪器的第一溫度控制電路：圖1>
將參考圖1來描述根據本文中所揭示的實施例的恒溫槽控制晶體振盪器的第一溫度控制電路。圖1為繪示根據本文中所揭示的實施例的恒溫槽控制晶體振盪器的第一溫度控制電路的電路圖。如圖1中所繪示，根據本文中所揭示的實施例的恒溫槽控制晶體振盪器的第一溫度控制電路(第一電路)基本上包含：熱敏電阻TH、差分放大器(OPAMP)IC 10、功率電晶體Tr1、加熱器電阻器HR以及限流電晶體Tr2。另外，功率電晶體Tr1和限流電晶體Tr2並非NPN型電晶體、而為PNP型電晶體。
<第一電路中的連接關係>
將電源電壓DC施加至加熱器電阻HR的一個末端，加熱器電阻HR的另一末端連接至功率電晶體Tr1的射極，且功率電晶體Tr1的集極連接至地面GND。
將電源電壓DC施加至電阻器R1的一個末端，所述電阻器R1的另一末端連接至熱敏電阻TH的一個末端，且熱敏電阻TH的另一末端連接至地面GND。另外，將電源電壓DC施加至電阻器R2的一個末端，電阻器R2的另一末端連接至電阻器R3的一個末端，且電阻器R3的另一末端連接至地面GND。
電阻器R1的另一末端與熱敏電阻TH的一個末端之間的節點通過電阻器R4而連接至一個輸入端子(負(-)端子)，且電阻器R2的另一末端與電阻器R3的一個末端之間的節點連接至差分放大器IC 10的另一輸入端子(正(+)端子)。另外，差分放大器IC 10的輸出端子和輸入端子(負(-)端子)通過電阻器R5反饋且彼此連接。差分放大器IC 10的輸出端子連接至功率電晶體Tr1的基極。儘管未繪示於圖式中，但將電源電壓DC施加至差分放大器IC 10用於操作，所述電源電壓DC也連接至地面GND。
將電源電壓DC施加至限流電晶體Tr2的射極，加熱器電阻器HR的另一末端與功率電晶體Tr1的射極之間的節點連接至限流電晶體Tr2的基極，且限流電晶體Tr2的集極連接至功率電晶體Tr1的基極。
<第一電路的每一個單元> <熱敏電阻TH>
熱敏電阻TH為溫度感應元件(其電阻值視溫度而改變)，且用以檢測晶體單元的操作溫度。根據示範性實施例，熱敏電阻TH的另一末端連接至：處於地面電平的、與功率電晶體Tr1的集極共用的地面層GND。
即，熱敏電阻TH的另一末端和功率電晶體Tr1的集極可實體連接並且電連接。在熱傳導方面，雖然在現有技術中，絕緣性熱傳導矽具有2 W/m．k的傳導率，但根據示範性實施例，如果地面圖案GND是由銅構成，那麼傳導率變為403 W/m．k，其為現有技術的傳導率的200倍。因此，可用高熱響應性來配置恒溫槽控制晶體振盪器。
<差分放大器IC 10>
在差分放大器IC 10中，電阻器R1與熱敏電阻TH之間的電壓通過電阻器R4而輸入至一個輸入端子(負(-)端子)，且差分放大器IC 10的輸出通過電阻器R5而反饋且輸入。電阻器R2與R3之間的電壓被輸入至另一輸入端子(正(+)端子)，且所述兩個輸入端子之間的電壓差經放大且被輸出。
<功率電晶體Tr1>
功率電晶體Tr1為PNP型電晶體，其中差分放大器IC 10的輸出被輸入至基極，且電流視施加至基極的電壓而在射極與集極之間流動，使得電流也流過加熱器電阻器HR。功率電晶體Tr1視限流電晶體Tr2的操作而限制流過加熱器電阻器HR的電流，使得加熱器電阻器HR不充當熱源，而僅僅功率電晶體Tr1充當熱源。明確地說，功率電晶體Tr1的集極(GND側)產生熱。
<加熱器電阻器HR>
加熱器電阻器HR接收電源電壓DC、且基於功率電晶體Tr1的操作而產生視流動的電流而定的熱。然而，由於不同於不具有限流電路的現有技術中的溫度控制電路，所述流動的電流受到限流電晶體Tr2的操作限制，所以加熱器電阻器HR不充當熱源。因此，因為僅僅功率電晶體Tr1充當熱源，所以可防止熱擴散。
<限流電晶體Tr2>
在限流電晶體Tr2中，將用於連接加熱器電阻器HR的另一末端與功率電晶體Tr1的射極的線路上的節點的電壓施加至基極，且視所施加電壓來控制流過連接至電源電壓DC的射極和連接至功率電晶體Tr1的基極的電流。
即，施加至限流電晶體Tr2的基極的電壓變得：可視流過功率電晶體Tr1的射極的電流而變化，使得流過限流電晶體Tr2的射極和集極的電流也變得可變。
具體來說，如果流過功率電晶體Tr1的射極的電流增大，那麼最大電流是由限流電晶體Tr2和電流檢測電阻器來確定，且加熱器電阻器的發熱量被限制，使得電流幾乎全由功率電晶體Tr1消耗。另外，如果流過功率電晶體Tr1的射極的電流減小，那麼流過限流電晶體Tr2的射極和集極的電流也減小，使得限流電晶體Tr2不進行操作。
<第一OCXO的配置：圖2>
接下來，將參考圖2來描述根據示範性實施例的第一OCXO的配置。圖2為繪示根據示範性實施例的第一OCXO的解釋性橫截面圖。在根據示範性實施例的所述 OCXO(第一OCXO)中，晶體單元2、功率電晶體3和類似物安裝於例如陶瓷的電路板1上，且使用如圖2中所繪示的金屬銷5將電路板1固定至金屬基座4。晶體單元2的安裝表面和類似物經佈置而面向金屬基座4側。另外，金屬蓋罩6經安裝而覆蓋金屬基座4。
在現有技術的OCXO中，以空氣或氣體來填充金屬蓋罩的內部。由於熱是通過空氣或氣體傳遞，所以溫度特性受到影響，且性能因此降級。在所述第一OCXO中，在真空下包封金屬蓋罩4的內部。如果使用真空包封，那麼熱傳導在原則上變為零，或外部空氣的影響可忽略。即，可製造不受環境溫度影響的振盪器，且提供具有極好溫度特性的振盪器。
在典型OCXO中，在內部提供爐(oven)以維持約90℃的恒定溫度。為了維持所述溫度，加熱器電阻器或功率電晶體總是產生熱。熱通過空氣傳遞至金屬蓋罩以便輻射熱。此情形引起無用的功率消耗。此外，由於近年來的小型化趨勢，所以爐中的空氣層也減少，且熱產生部分與蓋罩之間的距離減小，使得熱傾向於容易自空氣散逸。
因此，若是如在第一OCXO中那樣使用真空包封，那麼熱傳導原則上變為零。因此，可防止熱通過空間自內部散逸。由此，可用最小的熱來維持恒定溫度且減小功率消耗。
儘管有必要進行結構研究以便在現有技術下將熱輻射抑制至最小，但是可使用真空包封來簡化第一OCXO的配置。另外，可將許多組件佈置於電路板上、抑制所述板的 成本、容易地改變所述板的厚度、增大片狀板的數目，以便改進生產力。
<第一OCXO的平面圖：圖3>
接下來，將參考圖3來描述根據第一OCXO的配置。圖3為繪示根據示範性實施例的第一OCXO的解釋性平面圖。如圖3中所繪示，在第一OCXO中，在電路板1之上形成連接至地面GND的共用圖案8，晶體單元2形成於共用圖案8之上，且功率電晶體3的一個端子(集極端子)和感測器(熱敏電阻TH)7的一個端子連接至共用圖案8。
共用圖案8是由銅等金屬圖案形成且連接至地面電平。由於感測器7和功率電晶體3通過此共用圖案8彼此實體地且電連接，所以與絕緣性熱傳導矽相比較而言，可實施具有高熱響應性和極好熱傳導性質的振盪器。另外，優選的是，通過將晶體單元2的接地端子(GND端子)連接至共用圖案8，來將熱有效地傳遞至晶體單元2。
<恒溫槽控制晶體振盪器的第二溫度控制電路：圖4>
將參考圖4來描述根據本文中所揭示的實施例的恒溫槽控制晶體振盪器的第二溫度控制電路。圖4為繪示根據示範性實施例的恒溫槽控制晶體振盪器的第二溫度控制電路的電路圖。如圖4中所繪示，恒溫槽控制晶體振盪器的第二溫度控制電路(第二電路)的配置類似於圖1的電路的配置，但是替代於PNP型功率電晶體Tr1，而將P型功率金氧半導體場效應電晶體(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)用作功率電晶體Tr1。
<功率電晶體Tr1'>
所述功率電晶體Tr1'為P型功率MOSFET，其中差分放大器IC 10的輸出被輸入至閘極，且視施加至閘極的電壓來控制汲極與源極之間的電流，使得電流也流動至加熱器電阻器HR。由於功率電晶體Tr1'基於限流電晶體Tr2的操作而限制流過加熱器電阻器HR的電流，所以加熱器電阻器HR不充當熱源，而僅僅功率電晶體Tr1'充當熱源。明確地說，功率電晶體Tr1'的汲極(GND側)產生熱。
<限流電晶體Tr2>
在限流電晶體Tr2中，將連接加熱器電阻器HR的另一末端與功率電晶體Tr1'的源極的線路上的節點中的電壓施加至基極，且視所施加電壓來控制流過連接至電源電壓DC的射極的電流和流過連接至功率電晶體Tr1'的閘極的電流。
即，施加至限流電晶體Tr2的基極的電壓變得：可視流過功率電晶體Tr1'的源極的電流而變化，且流過限流電晶體Tr2的射極和集極的電流也變得可變。
在根據本文中所揭示的實施例的第一恒溫槽控制晶體振盪器(第一OCXO)中，併入前述的溫度控制電路(第二電路)，且金屬蓋罩6的內部是在真空下包封。因此，可防止熱輻射至外部、且以最小的熱將內部維持在恒定溫度下。
<恒溫槽控制晶體振盪器的第三溫度控制電路：圖5>
將參考圖5來描述根據本文中所揭示的實施例的恒溫槽控制晶體振盪器的第三溫度控制電路。圖5為繪示根據本文中所揭示的實施例的恒溫槽控制晶體振盪器的第三溫 度控制電路的電路圖。如圖5中所繪示，根據本文中所揭示的實施例的恒溫槽控制晶體振盪器的第三溫度控制電路(第三電路)基本上包含：熱敏電阻TH、差分放大器(OPAMP)IC 10、功率電晶體Tr1、加熱器電阻器HR以及限流電晶體Tr2。另外，功率電晶體Tr1和限流電晶體Tr2並非NPN型電晶體、而是PNP型電晶體。然而，如圖4中所繪示，功率電晶體Tr1可為P型功率MOSFET。
參考圖5，除了第三溫度控制電路以外，還繪示了晶體單元X3和振盪器電路11，且在晶體單元X3的輸入側中提供用於接收控制電壓VCONT的端子。電阻器R1和電容器C2串聯連接至所述端子、且連接至晶體單元X3的輸入。另外，電容器C1的一個末端連接於電阻器R1與電容器C2之間，且電容器C1的另一末端接地。另外，晶體單元X3的輸出被輸入至振盪器電路11，且振盪器電路11的輸出連接至輸出端子(OUTPUT)。
作為第三電路的特性，晶體單元X3的接地端子(GND端子)連接至熱敏電阻TH的GND側和功率電晶體Tr1的集極(GND端子)。即，晶體單元X3、作為溫度感測器的熱敏電阻TH以及作為熱源的功率電晶體Tr1電連接至地面電平(GND電平)。明確地說，使用具有高熱傳導的銅圖案直接進行至GND電平的電連接。因此，晶體單元X3、溫度感測器以及熱源之間的熱阻可為無限零。另外，銅具有403 W/m．k的熱導率。相比較而言，鋁具有236403 W/m．k的熱導率，且高熱傳導矽具有2.4 W/m．k的熱導率。
儘管將熱敏電阻TH用作溫度感測器，但也可替代地 使用例如：鉑電阻器(platinum)、熱電偶以及線性電阻器的電阻感測器。另外，使用比例(P)控制、比例與積分(PI)控制、比例、積分與微分(PID)控制和類似方式來執行溫度控制。溫度控制電路可集成至離散組件(discrete component)和例如專用集成電路(application specific integrated circuit,ASIC)的集成電路(integrated circuit,IC)中。
<第二OCXO的平面圖：圖6>
接下來，將參考圖6來描述根據第二OCXO的配置。圖6為繪示根據示範性實施例的第二OCXO的解釋性平面圖。在第二OCXO中，如圖6中所繪示，晶體單元2形成於電路板1之上，熱敏電阻13和功率電晶體3佈置於其附近，且加熱器電阻器12經佈置而遠離晶體單元2。
共用圖案8'經形成而與功率電晶體3的GND端子(圖6中的功率電晶體3的左邊端子)、熱敏電阻13的GND端子(圖6中的熱敏電阻13的上部端子)，以及晶體單元2的金屬蓋罩接觸。共用圖案8'是由銅等金屬圖案形成且連接至地面電平。由於晶體單元2、功率電晶體3以及熱敏電阻13通過此共用圖案8'彼此實體地且電連接，所以與絕緣性熱傳導矽相比較而言，可實施具有極好熱傳導性質及高熱響應性的振盪器。
儘管共用圖案8'形成於金屬蓋罩之上以覆蓋所述金屬蓋罩，但共用圖案8'可形成於電路板1之上，且然後，功率電晶體3的GND端子、熱敏電阻13的GND端子以及晶體單元2的GND端子可連接至共用圖案8'，以便有效 地傳遞熱。
<表面安裝型晶體單元封裝：圖7>
將參考圖7來描述用於第三電路中的晶體單元封裝。圖7為繪示表面安裝型晶體單元封裝的示意圖。如圖7中所繪示，晶體單元是使用表面安裝裝置(surface mount device，SMD)封裝物品進行配置，且具有端子，所述端子包含：連接至晶體晶片(crystal wafer)的端子B和C；以及連接至金屬蓋罩和內部封裝的端子A和D。
端子A和D通過金屬蓋罩套管(metal cover casing)而連接、且被連接至地面GND。儘管使用SMD封裝物品來提供四個端子，但也可提供其他端子。另外，可不通過金屬蓋罩套管來連接端子A和D。例如，所述蓋罩是由柯伐合金(kovar)構成。
根據本發明，提供恒溫槽控制晶體振盪器中的恒溫爐的溫度控制電路，其包含：加熱器電阻器，其具有被供應電源電壓以產生熱的一個末端；第一電阻器，其具有被供應電源電壓的一個末端；熱敏電阻，其一個末端連接至所述第一電阻器的另一末端，且另一末端接地，使得通過將電阻值設置為可視溫度變化、而將視溫度而定的電壓輸出至一個末端；第二電阻器，其具有被供應電源電壓的一個末端；第三電阻器，其一個末端連接至所述第二電阻器的另一末端，且另一末端接地；差分放大器，其一個輸入端子接收所述第一電阻器的另一末端與所述熱敏電阻的一個末端之間的電壓，另一輸入端子接收所述第二電阻器的另一末端與所述第三電阻器的一個末端之間的電壓，以及通 過第四電阻器將輸出反饋至一個輸入端子，使得由另一輸入端子接收的電壓與由一個輸入端子接收的電壓之間的差經放大以及經輸出而作為控制電壓；PNP型功率電晶體，其具有連接所述加熱器電阻器的另一末端的射極、接收所述差分放大器的輸出的基極，以及接地的集極；以及PNP型限流電晶體，其具有被供應電源電壓的射極、接收所述加熱器電阻器的另一末端與所述功率電晶體的射極之間的電壓的基極，以及連接至所述功率電晶體的基極的集極。因此，通過使用限流電晶體來限制流動至所述加熱器電阻器的電流，而將所述功率電晶體用作熱源。因此，防止了熱擴散，且所述功率電晶體的集極以及所述熱敏電阻的另一末端共同地連接至地面電平，使得熱源的熱可有效地傳遞至熱敏電阻。可改進控制靈敏度且實施極好的溫度特性。
根據本發明，提供恒溫槽控制晶體振盪器中的恒溫爐的溫度控制電路，其包含：加熱器電阻器，其具有被供應電源電壓以產生熱的一個末端；第一電阻器，其具有被供應電源電壓的一個末端；熱敏電阻，其一個末端連接至所述第一電阻器的另一末端，且另一末端接地，使得通過將電阻值設置為可視溫度變化、而將視溫度而定的電壓輸出至一個末端；第二電阻器，其具有被供應電源電壓的一個末端；第三電阻器，其一個末端連接至所述第二電阻器的另一末端，且另一末端接地；差分放大器，其一個輸入端子接收所述第一電阻器的另一末端與所述熱敏電阻的一個末端之間的電壓，另一輸入端子接收所述第二電阻器的另一末端與所述第三電阻器的一個末端之間的電壓，以及通 過第四電阻器將輸出反饋至一個輸入端子，使得由另一輸入端子接收的電壓與由一個輸入端子接收的電壓之間的差經放大以及經輸出而作為控制電壓；P型場效應功率電晶體(功率MOSFET)，其具有連接所述加熱器電阻器的另一末端的源極、接收所述差分放大器的輸出的閘極，以及接地的汲極；以及PNP型限流電晶體，其具有被供應電源電壓的射極、接收所述加熱器電阻器的另一末端與所述功率MOSFET的源極之間的電壓的基極，以及連接至所述功率MOSFET的閘極的集極。因此，通過使用限流電晶體來限制流動至所述加熱器電阻器的電流，而將所述功率電晶體用作熱源。因此，防止了熱擴散，且所述功率MOSFET的集極以及所述熱敏電阻的另一末端共同地連接至地面電平，使得熱源的熱可有效地傳遞至熱敏電阻。可改進控制靈敏度且實施極好的溫度特性。
在第一電路中，使用金屬共用圖案8將PNP型功率電晶體Tr1的集極側、和熱敏電阻TH側連接至地面電平，提供PNP型限流電晶體Tr2以限制流過連接至功率電晶體Tr1的射極的加熱器電阻器HR的電流，且將熱源統一至功率電晶體Tr1中以防止熱擴散，從而使得自功率電晶體Tr1的集極產生的熱可有效地傳遞至共同連接的熱敏電阻TH(感測器7)。因此，可改進熱響應性且實施具有極好溫度特性的振盪器。
在第二電路中，使用金屬共用圖案8將熱敏電阻TH側、和P型功率MOSFET的功率電晶體Tr1'的汲極側連接至地面電平，提供PNP型限流電晶體Tr2以限制流過連接 至功率電晶體Tr1'的源極的加熱器電阻器HR的電流，且將熱源統一至功率電晶體Tr1'中以防止熱擴散，從而使得自功率電晶體Tr1'的汲極產生的熱可有效地傳遞至共同連接的熱敏電阻TH(感測器7)。因此，可改進熱響應性且實施具有極好溫度特性的振盪器。
通過將第一或第二電路併入至第一恒溫槽控制晶體振盪器中，可實施高穩定性的振盪器。
另外，在第一OCXO中，通過在真空下包封金屬蓋罩6的內部，可防止熱輻射至外部、且以最小的熱將內部維持在恒定溫度下。
在第三電路中，使用銅等金屬共用圖案8'將熱敏電阻TH側、和PNP型功率電晶體Tr1的集極側、以及晶體單元的GND端子連接至地面電平，提供PNP型限流電晶體Tr2以限制流過連接至功率電晶體Tr1的射極的加熱器電阻器HR的電流，且將熱源統一至功率電晶體Tr1中以防止熱擴散，從而使得功率電晶體Tr1的集極的熱可有效地傳遞至晶體單元2和共同連接的熱敏電阻TH。因此，可改進熱響應性且實施具有極好溫度特性的振盪器。
因此，在第三電路中，溫度感測器的熱敏電阻、功率電晶體的熱源以及溫度控制目標的晶體單元中的熱阻可為無限零。因此，可通過統一的溫度控制獲得極好的頻率-溫度特性且改進控制響應性，從而使得頻率特性具有快速上升邊緣(fast rising edge)。另外，因為去除了無用的熱輻射，所以可節省功率消耗。此外，由於可在不使用樹脂和類似物的情況下進行直接連接，所以可簡化組裝。此外， 由於熱阻減小到了最小，所以可簡化溫度控制設計。
在第三電路中，功率電晶體Tr1的熱源的熱通過共用圖案8'而傳遞至晶體單元2的金屬蓋罩、且可進一步傳遞至晶體單元2的GND端子。因此，可獲得容易的配置。
本文中所揭示的本發明可通過防止熱擴散，並且改進具有極好溫度特性的恒溫槽控制晶體振盪器的溫度控制電路中的熱傳導效率，而優選應用於所述電路
1‧‧‧電路板
2、X3‧‧‧晶體單元
3‧‧‧功率電晶體
4‧‧‧金屬基座
5‧‧‧金屬銷
6‧‧‧金屬蓋罩
7‧‧‧感測器
8、8'‧‧‧共用圖案
10‧‧‧差分放大器IC
11‧‧‧振盪器電路
12、HR‧‧‧加熱器電阻器
13、TH‧‧‧熱敏電阻
A~D‧‧‧端子
C1、C2‧‧‧電容器
DC‧‧‧電源電壓
GND‧‧‧地面(接地端子)
OUTPUT‧‧‧輸出端子
R1~R6、R20~R26、R31~R36‧‧‧電阻器
Tr1(B、C、E)‧‧‧功率電晶體(基極、集極、射極)
Tr1'(G、S、D)‧‧‧功率電晶體(閘極、源極、汲極)
Tr2(B、C、E)‧‧‧限流電晶體(基極、集極、射極)
VCONT‧‧‧控制電壓
圖1為繪示根據本文中所揭示的示範性實施例的恒溫槽控制晶體振盪器的第一溫度控制電路的電路圖。
圖2為繪示根據示範性實施例的第一OCXO的解釋性橫截面圖。
圖3為繪示根據示範性實施例的第一OCXO的解釋性平面圖。
圖4為繪示根據示範性實施例的恒溫槽控制晶體振盪器的第二溫度控制電路的電路圖。
圖5為繪示根據本文中所揭示的示範性實施例的恒溫槽控制晶體振盪器的第三溫度控制電路的電路圖。
圖6為繪示根據示範性實施例的第二OCXO的解釋性平面圖。
圖7為繪示表面安裝型晶體單元封裝的示意圖。
圖8為繪示現有技術中的恒溫槽控制晶體振盪器的溫度控制電路的電路圖。
圖9為繪示發熱量的曲線圖。
圖10為繪示具有限流電路的溫度控制電路的電路圖。
圖11為繪示改進的恒溫爐控制電路的電路圖。
10‧‧‧差分放大器IC
HR‧‧‧加熱器電阻器
TH‧‧‧熱敏電阻
DC‧‧‧電源電壓
R1~R5‧‧‧電阻器
Tr1(B、C、E)‧‧‧功率電晶體(基極、集極、射極)
Tr2(B、C、E)‧‧‧限流電晶體(基極、集極、射極)

Claims (9)

  1. 一種恒溫槽控制晶體振盪器中的恒溫爐的溫度控制電路，包括：加熱器電阻器，具有：被供應電源電壓以產生熱的一個末端；第一電阻器，具有：被供應電源電壓的一個末端；熱敏電阻，所述熱敏電阻的一個末端被連接至所述第一電阻器的另一末端，且所述熱敏電阻的另一末端接地，使得通過將電阻值設置為能夠視溫度變化、而將視溫度而定的電壓輸出至所述熱敏電阻的所述一個末端；第二電阻器，具有：被供應電源電壓的一個末端；第三電阻器，所述第三電阻器的一個末端連接至所述第二電阻器的另一末端，且所述第三電阻器的另一末端接地；差分放大器，所述差分放大器的一個輸入端子接收所述第一電阻器的另一末端與所述熱敏電阻的所述一個末端之間的電壓，所述差分放大器的另一輸入端子接收所述第二電阻器的另一末端與所述第三電阻器的所述一個末端之間的電壓，以及通過第四電阻器將輸出反饋至所述差分放大器的所述一個輸入端子，使得由所述差分放大器的所述另一輸入端子接收的電壓與由所述差分放大器的所述一個輸入端子接收的電壓之間的差經放大及經輸出而作為控制電壓；PNP型功率電晶體，具有：連接所述加熱器電阻器的 另一末端的射極、接收所述差分放大器的輸出的基極，及接地的集極；以及PNP型限流電晶體，具有：被供應電源電壓的射極、接收所述加熱器電阻器的另一末端與所述PNP型功率電晶體的所述射極之間的電壓的基極，及連接至所述PNP型功率電晶體的所述基極的集極。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的溫度控制電路，其中：所述熱敏電阻的所述另一末端及所述PNP型功率電晶體的所述集極是通過共用金屬圖案而連接。
  3. 一種恒溫槽控制晶體振盪器中的恒溫爐的溫度控制電路，包括：加熱器電阻器，具有：被供應電源電壓以產生熱的一個末端；第一電阻器，具有：被供應電源電壓的一個末端；熱敏電阻，所述熱敏電阻的一個末端被連接至所述第一電阻器的另一末端，且所述熱敏電阻的另一末端接地，使得通過將電阻值設置為能夠視溫度變化、而將視溫度而定的電壓輸出至所述熱敏電阻的所述一個末端；第二電阻器，具有：被供應電源電壓的一個末端；第三電阻器，所述第三電阻器的一個末端連接至所述第二電阻器的另一末端，且所述第三電阻器的另一末端接地；差分放大器，所述差分放大器的一個輸入端子接收所述第一電阻器的另一末端與所述熱敏電阻的所述一個末端 之間的電壓，所述差分放大器的另一輸入端子接收所述第二電阻器的另一末端與所述第三電阻器的所述一個末端之間的電壓，以及通過第四電阻器將輸出反饋至所述差分放大器的所述一個輸入端子，使得由所述差分放大器的所述所述另一輸入端子接收的電壓與由所述差分放大器的所述一個輸入端子接收的電壓之間的差經放大及經輸出而作為控制電壓；P型場效應功率電晶體，具有：連接所述加熱器電阻器的另一末端的源極、接收所述差分放大器的輸出的閘極，及接地的汲極；以及PNP型限流電晶體，具有：被供應電源電壓的射極、接收所述加熱器電阻器的另一末端與所述P型場效應功率電晶體的所述源極之間的電壓的基極，及連接至所述P型場效應功率電晶體的所述閘極的集極。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的溫度控制電路，其中：所述熱敏電阻的所述另一末端及所述P型場效應功率電晶體的所述汲極是通過共用金屬圖案而連接。
  5. 一種恒溫槽控制晶體振盪器，包括：如申請專利範圍第1項~第4項任一項所述的溫度控制電路；以及晶體單元，其中，所述晶體單元與所述溫度控制電路為電性連接。
  6. 一種恒溫槽控制晶體振盪器，包括：如申請專利範圍第2項或第4項所述的溫度控制電 路；以及晶體單元，其中，所述晶體單元與所述溫度控制電路為電性連接，所述晶體單元的接地端子連接至共用金屬圖案。
  7. 一種恒溫槽控制晶體振盪器，包括：如申請專利範圍第2項或第4項所述的溫度控制電路；晶體單元；以及金屬蓋罩，其用於覆蓋所述晶體單元，其中，所述晶體單元與所述溫度控制電路為電性連接，所述晶體單元的接地端子連接至所述金屬蓋罩，且所述金屬蓋罩連接至共用金屬圖案。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的恒溫槽控制晶體振盪器，其中：所述共用金屬圖案經形成，以覆蓋所述晶體單元的所述金屬蓋罩。
  9. 如申請專利範圍第5項~第8項任一項所述的恒溫槽控制晶體振盪器，其中：當使用金屬蓋罩包封形成所述溫度控制電路及所述晶體單元的電路板時，所述金屬蓋罩的內側是在真空下包封。
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