TWI528705B - 恆溫控制晶體振盪器 - Google Patents

Description

恆溫控制晶體振盪器

本發明係關於一種恆溫控制晶體振盪器(OCXO，Oven-controlled Crystal Oscillator)，該恆溫控制晶體振盪器配備有：晶體單元或晶體元件、含有該晶體單元並且將該晶體單元之溫度維持固定之恆溫箱、以及使用該晶體單元之振盪電路。

在僅被裝設於電路板或其類似物上、並外部地供予電源供應電壓時，結合石英晶體單元以及使用該晶體單元之振盪電路作為集成構件的晶體振盪器即輸出準確預定頻率之振盪信號。晶體振盪器因而被廣泛地運用在各種電子裝置中作為頻率或時間參考源。

晶體單元的振動頻率具有高穩定性，但由於石英固有的頻率-溫度特性，而隨溫度略為變化。為解決此問題，恆溫控制晶體振盪器可用來當作輸出特別精準之振盪頻率的晶體振盪器，其中該恆溫控制晶體振盪器包含容納於用以使晶體單元溫度保持固定之恆溫箱或恆溫槽內的晶體單元或晶體元件。一般而言，恆溫箱係配置成藉由電加熱器加熱。恆溫箱內之溫度係由裝置在該恆溫箱內的溫度感測器所偵測，且偵測結果係回饋至加熱器的驅動電路，以使恆溫箱內之溫度保持固定。若恆溫箱的溫度係依據晶體單元的頻率-溫度特性而設定成使肇因於溫度改變之頻率變化最小化，則即使恆溫箱的溫度在周遭溫度的影響下細微地變化，該恆溫控制晶體振盪器的振盪頻率仍保持在最穩定的狀態。舉例而言，晶體單元的振動頻率變化為溫度的二次方或三次方函數，然而這取決於此晶體單元的晶體片(crystal blank)(即振動片)從石英晶體切割下來的方向。因此，振動頻率不隨著溫度在函數曲線頂點附近微小的溫度變化而改變。此導致零溫度係數。因此，此溫度係稱為零溫度係數(ZTC，Zero Temperature Coefficient)點。藉由恆溫控制晶體振盪器，恆溫箱的溫度通常被設定在晶體單元 的ZTC點。

圖1係顯示根據相關技術之恆溫控制晶體振盪器的配置之電路圖。

恆溫箱10包覆晶體單元X以及用以偵測恆溫箱10內之溫度的熱敏電阻器Th。恆溫箱10係設計為藉由電加熱器H加熱，該電加熱器H之一端連接至電源供應端11且另一端連接至驅動用之功率電晶體15的集極。電晶體15的射極接地。在圖示之晶體振盪器的情況中，加熱器H係裝置在恆溫箱10中。晶體單元X係電性連接至使用晶體單元X之振盪電路13，並且振盪信號係由振盪電路13輸出至輸出端14。在此，振盪電路13係裝置在恆溫箱10之外，但可裝置在恆溫箱10中。電源供應電壓Vcc1係外部地供應至電源供應端11，但穩定電源供應電路12係裝置成從電源供應電壓Vcc1產生更穩定的電源供應電壓Vcc2。振盪電路13係被供以電源供應電壓Vcc2。

具有非線性負電阻-溫度特性者係用作熱敏電阻器Th。負電阻-溫度特性即為具有負電阻溫度係數的電阻-溫度特性。為了藉由回饋熱敏電阻器Th產生的偵測結果來驅動加熱器H，故裝置電阻R1至R3以及差動放大器16，且來自差動放大器的輸出係連接至功率電晶體15的基極。熱敏電阻器Th之一端連接至電源供應電壓Vcc2，並且另一端連接至差動放大器16的反向輸入端(-)。電阻R1係裝置在反向輸入端(-)和接地點之間。電阻R2係裝置在差動放大器16的非反向輸入端(+)和電源供應電壓Vcc2之間，而電阻R3係裝置在非反向輸入端(+)及接地點之間。如此，熱敏電阻器Th、電阻R1至R3、差動放大器16、以及功率電晶體15構成恆溫箱10的溫度控制電路。除了熱敏電阻器Th之外，構成溫度控制電路的元件係裝置在恆溫箱10之外並且受到周遭溫度的影響。

在此配置的情況下，若將電阻R1至R3設定為使得在晶體單元X之ZTC點的熱敏電阻器Th與電阻R1之間的電阻值比率將和電阻R2與電阻R3之間的比率一致，差動放大器16便控制功 率電晶體15以於恆溫箱10中之溫度上升且因此熱敏電阻器Th的電阻值降低時，降低電晶體15的集極電流；並相反地在恆溫箱10中之溫度下降且因此熱敏電阻器Th的電阻值增加時，增加集極電流。因為電晶體15的集極電流流經加熱器H，因此最終加熱器可受到控制，使得恆溫箱10內之溫度將保持在ZTC點。

實際上，在圖1所示之電路的情形中，相反於加熱器電流在恆溫箱10中之溫度準確地在ZTC點時為零，因為有一些熱自恆溫箱10消散，因此恆溫箱10中之溫度並非準確地達到ZTC點，而且具有自ZTC點起的一些偏差。為補償此偏差，可理解到將電阻R1至R3設定成使得稍高於ZTC點的溫度將是控制目標，但由於自恆溫箱10消散的熱之總量取決於周遭溫度，因此恆溫箱10的溫度最終受周遭溫度所影響。因此，為了將恆溫箱中之溫度保持在ZTC點，JP2005-165630A提出具有一配置的恆溫控制晶體振盪器，在該配置中，對應至圖1電路中所示之電阻R2的電阻具有線性正電阻-溫度特性，並設置為依周遭溫度而改變電阻值，使得流經加熱器H的電流將隨著周遭溫度降低而增加。

JP2011-4382A揭露一種維持恆溫箱中預定溫度的技術，其係藉由利用用以偵測周遭溫度之熱敏電阻器以及用以偵測恆溫箱中溫度之熱敏電阻器、及執行基於周遭溫度的開迴路控制以及基於恆溫箱中之溫度的閉迴路控制。

即使使用朝相同方向切割之晶體片而且振動頻率一致，晶體單元的ZTC點在產品間仍些微地變化。因此，為了製作出具有更高頻率準確度的恆溫控制晶體振盪器，必須在晶體單元容納於恆溫箱中之情況下觀測振盪頻率及偵測ZTC點、同時藉由驅動用以加熱恆溫箱之加熱器來改變恆溫箱溫度；根據所偵測到的ZTC點來決定溫度控制電路中電阻的目標值；並且調整電阻至目標值。例如，在圖1所示電路結構中，電阻R1至R3中至少一者受到調整。事實上，在許多實例中，電阻R1受到調整。然而，即使取決於恆溫箱的構造和恆溫箱中熱敏電阻器的設置而進行此調整，熱敏電阻器的溫度仍將不準確地與晶體單元的溫度匹配。再者，由 於自恆溫箱輻射到周圍環境的熱總量與周遭溫度相依，因此基於由熱敏電阻器所偵測到之溫度而決定的ZTC點(即表象(apparent)ZTC點本身)將隨周遭溫度變化。因為控制措施是基於恆溫箱中之熱敏電阻器所偵測到的溫度來執行，所以若表象ZTC點變化，該控制措施便無法適當地執行。即使溫度控制電路中的電阻值依據晶體單元的ZTC點而受到調整，由於電阻本身具有電阻溫度係數且隨著周遭溫度改變其電阻值，因此也必須考量補償這些變化。

畢竟，要建構高準確度之恆溫控制晶體振盪器，僅在用以偵測恆溫箱中之溫度的熱敏電阻器之外再裝置用以偵測周遭溫度的溫度感測器是不夠的，且還必須對於溫度控制電路之結構及調整方法作充分的考量。

當溫度控制係使用熱敏電阻器而進行時，周遭溫度和恆溫箱中的實際溫度之間的關係為例如大約如圖2A中的粗線所示般，因為相較於周遭溫度的增加量，加熱器所產生的熱之減少量不足，以致於恆溫箱中之溫度隨周遭溫度增加而上升；或者如圖2B中的粗線所示般，因為相較於周遭溫度的增加量，加熱器所產生的熱之減少量過多，以致於恆溫箱中之溫度隨周遭溫度增加而下降。圖2A和2B中所示之溫度特性的何者實際上開始起作用係取決於各種因素，包括恆溫箱本身及其周圍的結構和熱環境、以及恆溫箱中之熱敏電阻器的設置。在任一情況下，均必須將溫度控制電路加以配置及調整以進行補償，使得恆溫箱中之溫度將在不論周遭溫度之情況下維持固定並且和真正的ZTC點一致，如圖2A和2B中的虛線所示。

本發明之目的為提供一種恆溫控制晶體振盪器，該恆溫控制晶體振盪器可處理晶體單元之間的ZTC點差異，並且即使周遭溫度變化仍免於頻率變動。

依照本發明的示範實施樣態，恆溫控制晶體振盪器包括：恆 溫箱；包覆在恆溫箱內的晶體單元；使用晶體單元的振盪電路；加熱恆溫箱的加熱器；以及溫度控制電路，驅動加熱器以使恆溫箱中之溫度相等於晶體單元的零溫度係數點之溫度，其中溫度控制電路包括：與加熱器串聯裝置的功率電晶體；驅動功率電晶體的差動放大器；熱敏電阻器，裝置在恆溫箱中、具有負電阻-溫度特性、並且連接在電源供應電壓和差動放大器之反向輸入端之間；第一電阻，裝置在反向輸入端與接地點之間，並用以調整零溫度係數點的溫度；第二電阻，裝置在電源供應電壓和差動放大器之非反向輸入端之間；以及第三電阻，裝置在接地點和非反向輸入端之間，且其中第二電阻及第三電阻之其中一者係配置為由複數電阻元件所構成之電阻組件，電阻組件中的電阻元件其中一者係具有正電阻-溫度特性且用以偵測周遭溫度之溫度偵測電阻元件。

於上述之結構，熱敏電阻器通常具有高度非線性負電阻-溫度特性，可偵測恆溫箱內之溫度並回饋此偵測溫度至差動放大器的反向輸入端(即(-)輸入)。所謂由第二及第三電阻所組成並連接至差動放大器的非反向輸入端(即(+)輸入)的電阻網路，包括一具有正電阻-溫度特性且適用於偵測周遭溫度之電阻元件，此外還有至少二個標準電阻元件。此配置使其可以處理晶體單元之間的ZTC點差異、補償由於周遭溫度造成的表象ZTC點改變、並且更進一步穩定恆溫控制晶體振盪器的振盪頻率。

接著，將描述根據本發明之較佳實施例之恆溫控制晶體振盪器。

圖3所示根據本發明之實施例之恆溫控制晶體振盪器係相似於圖1所示者，但在溫度控制電路的電路配置上與圖1所示者不同。具體而言，圖3所示之電路裝置有電阻R21至R23來取代圖1所示之電路的電阻R2。電阻R21之一端係被供以電源供應電壓Vcc2，且另一端連接至連接節點17。電阻R22及R23係並聯裝置 在連接節點17和差動放大器16的非反向輸入端(+)之間。當周遭溫度和恆溫箱內之實際溫度之間有如圖2A所示之關係時(亦即，當有恆溫箱中之溫度藉以隨周遭溫度增加而上升的關係時)，圖3所示之電路係欲在無論周遭溫度的情況下，將恆溫箱或恆溫槽中的溫度保持固定並等於晶體單元X的ZTC點。

在圖3所示的配置中，相反於電阻R1、R3、R21及R22為具有低電阻溫度係數之標準電阻元件，電阻R23係具有線性正電阻-溫度特性之電阻元件，其用來當作適用於偵測周遭溫度之溫度感測器。電阻R1係用以補償晶體單元X的ZTC點分散之ZTC調整電阻。電阻R1之數值係基於實際測量之晶體單元X的ZTC點而加以設定。另一方面，電阻R21、R22及R3係用於溫度控制電路的靈敏度調整。如上所述，基於熱敏電阻器Th偵測到的溫度值所得到之表象ZTC點可隨周遭溫度變化，但由於此三靈敏度校準電阻R21、R22及R3及用以偵測周遭溫度且具有正電阻-溫度特性之電阻R23，因此即使周遭溫度改變，晶體單元X的溫度仍可一直被設定在ZTC點。例如，藉由尋找晶體振盪器周遭溫度的可理解之溫度範圍內兩周遭溫度點之每一者處的晶體單元X之表象ZTC點，可判定不造成表象ZTC點上之改變的電阻R21、R22及R3之電阻值。在此情況下，在各周遭溫度處之表象ZTC點可藉由利用改變由熱敏電阻器Th偵測到的恆溫箱10中之溫度來尋找晶體單元X的振動頻率而加以判定。

圖4所示根據本發明另一實施例之恆溫控制晶體振盪器係相似於圖1所示者，但在以下方面與圖1所示者不同：串聯連接之電阻R24和電阻R25被裝置來取代電阻R2，其中電阻R24係具有低電阻溫度係數之標準電阻元件，而電阻R25具有線性正電阻-溫度特性。電阻R1和R3二者皆為具有低電阻溫度係數之標準電阻元件。當周遭溫度和恆溫箱中之實際溫度之間有如圖2A所示之關係時，圖4所示之電路亦欲在不論周遭溫度的情況下將恆溫箱中的溫度保持固定並等於晶體單元X的ZTC點。在圖4的電路中，電阻R1係用於ZTC調整，電阻R3和R24係用於靈敏度調 整，且電阻R25係用於周遭溫度之偵測。若是這兩靈敏度調整電阻R3和R24係以與上述相同的方法加以設定，則即使周遭溫度改變，晶體單元X的溫度仍可一直被設定在ZTC點。

圖5所示根據本發明又另一實施例之恆溫控制晶體振盪器係相似於圖1所示者，但在溫度控制電路的電路配置上與圖1所示者不同。具體而言，圖5所示之電路裝置有電阻R31至R33來取代圖1所示電路中的電阻R3。電阻R31之一端接地，且另一端連接至連接節點18。電阻R32及R33係並聯裝置在連接節點18和差動放大器16的非反向輸入端(+)之間。不若圖3所示之電路，當周遭溫度和恆溫箱中之實際溫度之間有如圖2B所示之關係時(亦即，當有恆溫箱中之溫度藉以隨周遭溫度增加而下降的關係時)，圖5所示之電路係欲在不論周遭溫度的情況下將恆溫箱中的溫度保持固定並等於晶體單元X的ZTC點。

在圖5所示的配置中，相反於電阻R1、R2、R31及R32為具有低電阻溫度係數之標準電阻元件，作為用以偵測周遭溫度之溫度感測器的電阻R33係具有線性正電阻-溫度特性之電阻元件。電阻R1係用於ZTC調整，而電阻R2、R31及R32係用於溫度控制電路的靈敏度調整。如上所述，基於熱敏電阻器Th偵測到的溫度值之表象ZTC點可隨周遭溫度變化，但由於此三靈敏度校準電阻R31、R32及R2及用以偵測周遭溫度且具有正電阻-溫度特性之電阻R33，因此即使周遭溫度改變，晶體單元X的溫度仍可一直被設定在ZTC點。例如，在熱敏電阻器Th偵測到的恆溫箱10中之溫度變化時，藉由尋找晶體單元X的振動頻率，並從而尋找晶體振盪器之周遭溫度的可理解之溫度範圍內兩周遭溫度點之每一者的晶體單元X之表象ZTC點，可判定將不造成表象ZTC點上之改變的電阻R2、R31及R32之電阻值。

圖6所示根據本發明又另一實施例之恆溫控制晶體振盪器係相似於圖1所示者，但在以下方面與圖1所示者不同：串聯連接之電阻R34和電阻R35被裝置來取代電阻R3，其中電阻R34具有線性正電阻-溫度特性，而電阻R35係具有低電阻溫度係數之 標準電阻元件。電阻R1和R2二者皆為具有低電阻溫度係數之標準電阻元件。當周遭溫度和恆溫箱中之實際溫度之間有如圖2B所示之關係時，圖6所示之電路亦欲在不論周遭溫度的情況下將恆溫箱中的溫度保持固定並等於晶體單元X的ZTC點。在圖6的電路中，電阻R1係用於ZTC校準、電阻R2和R35係用於靈敏度調整、且電阻R34係用於周遭溫度之偵測。若此二靈敏度校準電阻R2和R35係依與上述相同的方法加以調整，則即使周遭溫度改變，晶體單元X的溫度仍可一直被調整在ZTC點。

10‧‧‧恆溫箱

11‧‧‧電源供應端

12‧‧‧穩定電源供應電路

13‧‧‧振盪電路

14‧‧‧輸出端

15‧‧‧功率電晶體

16‧‧‧差動放大器

17‧‧‧連接節點

18‧‧‧連接節點

圖1係顯示根據相關技術之恆溫控制晶體振盪器配置的電路圖；圖2A及2B係顯示周遭溫度和恆溫箱中之溫度之間的關係之圖表；圖3係顯示根據本發明之實施例的恆溫控制晶體振盪器配置之電路圖；圖4係顯示根據本發明另一實施例的恆溫控制晶體振盪器結構之電路圖；圖5係顯示根據本發明又另一實施例的恆溫控制晶體振盪器結構之電路圖；圖6係顯示根據本發明又另一實施例的恆溫控制晶體振盪器結構之電路圖。

10‧‧‧恆溫箱

11‧‧‧電源供應端

12‧‧‧穩定電源供應電路

13‧‧‧振盪電路

14‧‧‧輸出端

15‧‧‧功率電晶體

16‧‧‧差動放大器

17‧‧‧連接節點

Claims (2)

1. 一種恆溫控制晶體振盪器，包含：一恆溫箱；一晶體單元，受包覆於該恆溫箱內；一振盪電路，使用該晶體單元；一加熱器，加熱該恆溫箱；以及一溫度控制電路，驅動該加熱器以使該恆溫箱中之溫度等於該晶體單元的零溫度係數點之溫度，其中該溫度控制電路包含：一功率電晶體，與該加熱器串聯裝置；一差動放大器，驅動該功率電晶體；一熱敏電阻器，裝置在該恆溫箱內、具有負電阻-溫度特性、且連接在一電源供應電壓和該差動放大器之一反向輸入端之間；一第一電阻，裝置在該反向輸入端和一接地點之間，並用以調整該零溫度係數點之溫度；一第二電阻，裝置在該電源供應電壓和該差動放大器之一非反向輸入端之間；以及一第三電阻，裝置在該接地點和該非反向輸入端之間，其中，該第二電阻和該第三電阻之其中一者係配置為具有一第一端及一第二端之一電阻組件，其中，該電阻組件包含：一第一電阻元件；一第二電阻元件；以及具有正電阻-溫度特性並用以偵測周遭溫度之一溫度偵測電阻元件，其中，該第一電阻元件係裝置在該電阻組件的該第一端和一連接節點之間，而該第二電阻元件係裝置在該連接節點和該電阻組件的該第二端之間，且該溫度偵測電阻元件係裝置在該連接節點和該電阻組件的該第二端之間，且其中，該溫度偵測電阻元件的一電阻-溫度係數大於該第一電阻元件和該第二電阻元之複數電阻-溫度係數其中每一者之絕 對值。
2. 如申請專利範圍第1項之恆溫控制晶體振盪器，更包含：一電源供應端，被供應以一外部電源供應電壓；以及一穩定電源供應電路，從該外部電源供應電壓產生該電源供應電壓，該電源供應電壓較該外部電源供應電壓更為穩定，其中，該加熱器被供應以該外部電源供應電壓。