專利名稱：溫補壓控恒溫晶體振蕩器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種恒溫晶體振蕩器，特別涉及一種溫補壓控恒溫晶
體振蕩器(TCVCOCXO)。
背景技術：
在國家標準GB12048-89《數字網內時鐘和同步設備的進網要求》中， 將我國數字同步網時鐘分為四級 第一級基準時鐘(銫原子鐘)；
第二級有記憶功能的高穩晶體時鐘，設置于數字網中的各級長途交 換中心；
第三級有記憶功能的高穩晶體時鐘，設置于端局和匯接局； 第四級 一般晶體時鐘，設置于遠端模塊、數字終端設備、數字用戶 交換設備。
在我國早期二、三級時鐘使用的壓控恒溫晶體振蕩器(VC0CX0)是采 用玻殼密封的三次泛音精密晶體(SC或AT切型)，并采用雙層恒溫技術， 體積較大。 一般的VC0CX0采用如圖la所示的電容三端式(考畢茲)交流 等效振蕩電路；實際的晶振交流等效電路如圖lb，其中Cv是用來調節振 蕩頻率， 一般用變容二極管加上不同的反偏電壓來實現，這也是壓控作用 的機理；把晶體的等效電路代替晶體后如圖lc。其中Co， Cl， Ll， RR是 晶體的等效參數。分析整個振蕩槽路可知，利用Cv來改變頻率是有限的: 決定振蕩頻率的整個槽路電容是由Cbe， Cce， Cv三個電容串聯后和Co并聯 再和C1串聯組成的。可以看出Cl越小，Co越大，Cv變化時對整個槽路 電容的作用就越小。因而能"壓控"的頻率范圍也越小。實際上，由于C1 很小(1E-15量級)，Co不能忽略(lE-12量級， 一般為2 7PF)。所以，Cv 變大時，降低槽路頻率的作用越來越小，Cv變小時，升高槽路頻率的作用 卻越來越大。這一方面引起壓控特性的非線性，壓控范圍越大，非線性就 越厲害；另一方面，施加在晶體上的激勵電壓卻越來越小，最后導致停振。采用泛音次數越高的晶體，其等效電容Cl就越小；因此頻率的變化范圍 也就越小。
在公開號為CN2472421Y的中國實用新型專利"混合型晶體振蕩器" 公開了將"溫度補償技術"與"溫度控制技術"相結合的技術，該專利采 用簡易的一次曲線溫度補償網絡(見圖2)來補償簡易恒溫結構而帶來的 頻率溫度波動。其不足之處是它只能滿足在一定工作溫度區間內，達到 10一7量級頻率溫度穩定度的要求。
在公開號為CN101027839A的中國發明專利"溫度補償式恒溫控制晶 體振蕩器"公開了 "對受溫度控制的頻率源進行溫度補償的方法"，該專 利提出溫度補償式恒溫控制晶體振蕩器(TC0CX0)的幾種實施例，采用零 到四階多項式的切比雪夫函數實現輸出頻率的四階模擬溫度補償，而且是 通過專用的模擬溫度補償芯片實現的。其不足之處是工藝技術比較復雜， 實施難度較大，制造成本較高。
實用新型內容
本實用新型的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種可滿足 某些通信設備時鐘比較寬的頻率牽引范圍要求(如三級鐘要求VC0CX0的 頻率牽引范圍為士6ppm 土8ppm，甚至更寬)，頻率溫度穩定度較高、實 現工藝比較簡單的溫補壓控恒溫晶體振蕩器。
本實用新型的目的通過下述技術方案實現 一種溫補壓控恒溫晶體振 蕩器，包括壓控恒溫控制電路，其特征在于所述壓控恒溫控制電路中位 于晶體與地間的負載電容替換為并聯諧振回路。
所述并聯諧振回路包括一只與晶體串聯的電感， 一只與電感并聯的調 諧電容， 一只壓控變容管通過一只隔直偶合電容與電感并聯，另一只溫補 變容管通過另一只隔直偶合電容也與電感并聯。
所述并聯諧振回路的并聯諧振頻率必須設置在<0. 8fo (fo為標稱頻 率，按產品技術指標規定，由晶體的等效參數和負載電容即Cbe，Cce，Cv 三個電容串聯值決定)，使VC0CX0工作頻率為標稱頻率fo時，這個并聯諧
振回路呈現容性電抗。
為了提高OCXO頻率溫度穩定度，可將簡易的一次曲線溫度補償網絡 改進為二次曲線溫度補償網絡，所述二次溫度曲線補償網絡是一個模擬的不對稱的T型網絡，由一只負溫度系數的片式熱敏電阻和一只調試電阻并 聯后再與一只固定電阻串聯組成T型網絡的串臂輸入端，由另一只負溫度 系數的片式熱敏電阻與另一只調試電阻串聯組成T型網絡的并臂，T型網 絡的串臂輸出端是一只固定電阻接至溫補變容管的負極，為溫補變容管提 供反向偏置電壓。上述固定電阻和熱敏電阻在設計時可確定其參數；所述 調試電阻在設計時先按理想參數計算初試值，然后通過現有的"晶振溫度 特性自動測試系統"的測試，再根據測試結果重新計算確定其參數。
為了滿足通信設備時鐘對電磁干擾(EMI)的抑制要求，在本電路的 電源輸入端和信號輸出端之間增加設置有EMI電路,有效地抑制電磁波的 干擾和輻射。所述EMI電路分兩部分， 一部分設置在方波信號輸出端，在 信號的輸出端設置一個K型網絡，n型網絡的串臂是一只磁珠，n型網絡 的兩個并臂分別為一只高頻小電容，"型網絡有效抑制高頻電磁波外輻 射；另一部分設置在電源輸入端，在電源輸入腳與地之間并接一只高頻旁 路電容和一只低頻濾波電容，防止外來電磁波干擾。
本實用新型的作用原理是 (1)通過對圖1的原理分析可知，要使得振蕩頻率穩定又要滿足壓 控頻率牽引范圍的要求，調節振蕩頻率的Cv選值十分重要，有些通信設 備的三級時鐘要求VCOCXO壓控頻率牽引范圍寬至士 (10 15)ppm,比較 普遍要求是士 (6 8)卯m ，實現這樣寬的頻率牽引范圍，對泛音晶體來 說是很困難的(高穩定晶體振蕩器一般都采用泛音晶體，泛音次數越高頻 率越穩定，但頻率牽引系數越小，頻率牽引范圍越窄)，有的為滿足頻率 牽引范圍指標要求，將晶體的負載電容設計得很小，即Cv的容值必定很 小，但Cv又必需包含壓控變容管、溫補變容管和微調中心頻率電容及分 布電容的總容量；為解決這個矛盾，本技術方案將Cv改進成一個并聯諧
振回路，將并聯諧振頻率設置在<0. 8 fo ，使VCOCXO工作頻率為標稱頻
率fo時，這個并聯諧振回路呈現容性電抗。并聯諧振回路替代電容Cv后，
使得泛音晶體的串、并聯諧振頻率間隔展寬，頻率牽引系數增大，解決了 頻率牽引范圍窄的問題；為保持晶體頻率穩定，并聯諧振回路的電感值要
控制在一個比較小范圍內，以保證并聯諧振回路的電容值足夠大，使其足 夠包含壓控變容管、溫補變容管和微調中心頻率電容及分布電容的總容量。微調中心頻率電容可以調整壓控中心頻率和對稱性。既滿足比較寬的 頻率牽引范圍要求，又改善頻率牽引的壓控線性度。
(2) 現有技術采用簡易的一次曲線溫度補償網絡(見圖2)來補償簡 易恒溫結構帶來的頻率溫度波動，其方法簡單，方便批量生產，但它只能 滿足在一定工作溫度區間(比如0 5(TC)內，達到l(T量級的要求，而 現代通信設備的二、三級時鐘對VC0CX0頻率溫度穩定度要求都比較高， 一般來說，在寬溫度工作范圍內(例如-20°C +70°C) 二級時鐘要求頻 率溫度穩定度為10—9量級，三級時鐘要求頻率溫度穩定度為10—8量級，要 達到這樣高的頻率溫度穩定度，簡易的一次曲線溫度補償網絡是不可能滿
足的。設計ocxo時，根據晶體在零溫度系數點周圍(土5x:)的溫度系數
(SC晶體一般為lX10—7t:， AT晶體一般為1X10—7°C)，要求晶體及振
蕩級電路元件在恒溫槽內的溫度波動應小于o. 1度，對于雙層恒溫槽結構
來說，這是沒問題的，但對簡單的恒溫結構，是不可能的，本申請人經過 多年的反復試驗和分析研究，這種簡單的恒溫結構對晶體來說其溫度波動
一般可達到士5t:，最好水平也只能達到士3。C，這意味著二級時鐘或三級
時鐘的頻率溫度穩定度將下降5X 10—8或5X 10—7 ，這下降特性通常出現在 工作溫度的高端或低端，呈現上翹或下彎，這種特性通過二次曲線溫度補 償網絡來補償是完全可能的，從而保持時鐘的頻率溫度穩定度不下降。
(3) 在VC0CX0的應用中，有時會出現同一類型的高穩晶振在不同的 時鐘單元中的使用效果完全不同，在某一通信設備時鐘單元中穩定工作的 vcocxo，換到另一通信設備時鐘單元中卻不能穩定工作，經常導致時鐘誤 碼， 一般是EMI的原因。為了保證時鐘輸出信號有較佳的功能特性，在設 計VC0CX0的整形輸出級時，通常會采用較快的上升時間和較高的驅動能 力的高速IC芯片，但是從EMI的噪聲輻射角度來看，這些快速的上升時間 和較大的驅動能力往往是造成噪聲變得較大的主因。因為實際的時鐘信 號，并非是完全理想的方波，而會存在著一些過沖電壓和高頻諧波的現象， 由于這些現象的存在就會使得頻域中的高頻諧波增大，當時鐘信號輸出端 與外電路的連線形成天線效應時，這些高頻諧波就會干擾時鐘單元的穩定 工作，導致時鐘誤碼，因而新型通信設備的時鐘單元要求其關鍵器件一 VC0CX0必須設置EMI電路，防止電磁干擾和輻射。
本實用新型相對現有技術具有如下的優點及效果(1) 本方案設置了并聯諧振回路構成的壓控網絡，可滿足通信設備
時鐘比較寬的頻率牽引范圍要求(如三級鐘要求vcocxo的頻率牽引范圍
為士6ppm 士8ppm，甚至更寬)，又可明顯地改善頻率牽引的壓控線性度， 減小時鐘信號抖動，提高時鐘頻率的穩定度。
(2) 本方案利用二次曲線溫度補償網絡來取代現有的一次曲線溫度 補償網絡，可較好地保持時鐘的頻率溫度穩定度不下降，滿足二級時鐘或 三級時鐘的頻率溫度穩定度較高的要求。
(3) 設置有EMI電路，可有效地抑制電磁波對時鐘單元的干擾和輻 射，保證時鐘單元的穩定工作。
圖1是現有的VCOCXO的振蕩電路原理圖。
圖2是一次曲線溫度補償網絡的原理圖。
圖3是本實用新型TCVCOCXO的電路原理方框圖。
圖4是本實用新型TCVCOCXO的振蕩電路原理圖。
圖5是本實用新型TCVCOCXO的二次曲線溫度補償網絡電路原理圖。
圖6是本實用新型TCVCOCXO的EMI電路原理圖。
圖7是本實用新型低壓供電的TCVCOCXO的振蕩電路原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本實用新型作進一步詳細描述，但本實用新 型的實施方式不限于此。 實施例1
圖3示出了本實用新型的結構，由圖3可見，溫補壓控恒溫晶體振蕩 器包括主振電路、選頻放大、整形輸出、溫控電路、穩壓電路、壓控網絡、 溫補網絡和EMI電路。穩壓電路經EMI接至振蕩器的電源輸入腳(Vcc)， 穩壓電路輸出分5路為主振電路、選頻放大、整形輸出、壓控網絡、溫補 網絡提供穩定的直流工作電壓或偏置電壓；溫控電路直接至電源輸入腳 (Vcc)，其溫度傳感器一熱敏電阻安裝在晶體旁邊，主振電路、壓控網絡 的主要元器件(包括晶體)緊靠溫控電路發熱的功率管，工作于晶體零溫度系數點周圍的一個較窄溫度范圍內；壓控網絡為位于晶體與地間的并聯
諧振回路，其內偏置電壓端接至穩壓電路的退偶輸出，輸入端接至振蕩器
的壓控輸入腳，輸出端接至晶體；溫補網絡與壓控網絡并聯位于晶體與地 間的并聯諧振回路，其內偏置電壓端接至穩壓電路的退偶輸出，輸出端接 至晶體；主振電路的工作電壓端接穩壓電路的輸出，其輸出的振蕩頻率信 號與選頻放大級的輸入端相接，選頻放大電路將信號提純放大后輸入整形 輸出級IC輸入端；整形IC輸出的方波信號接至EMI電路的輸入端，EMI 電路的輸出端接到振蕩器的信號輸出腳。
所述并聯諧振回路如圖4所示，由L3、 C3、 C5、 CV1和C4、 Cv2組
成，這個并聯諧振回路的并聯諧振頻率必須設置在〈0.8f()，使振蕩器工
作頻率為標稱頻率f0時，這個并聯諧振回路呈現容性電抗。另外，R5、 R6、 R7、 R8組成電阻網絡與Cxa并聯，R7接至壓控端Vc，改變壓控端 電壓就可實現頻率牽引；R5接至穩壓電路的退偶輸出端VD,，為壓控變容 管Cw提供固定內偏置電壓，可為無頻率牽引要求的電子裝置提供高穩定 的頻率基準。調整C5的容量可以改善頻率牽引范圍及壓控線性度，調整 C3的容量可以調整壓控中心頻率和對稱性。既滿足比較寬的頻率牽引范 圍要求，又改善頻率牽引的壓控線性度。
圖5示出了本溫補壓控恒溫晶體振蕩器的二次曲線溫度補償網絡電 路，由圖5可見，本二次曲線溫度補償網絡是一個模擬的不對稱T型網絡， 由RT1 、 Rx并聯再與R2串聯組成T型網絡的串臂輸入端，RT2與RY串聯 組成T型網絡的并臂，R3為T型網絡的串臂輸出端接至變容管Cv2的負 極，T型網絡與變容管Cv2并聯，其中R^和Rt2為負溫度系數的片式熱 敏電阻，R2和R3為固定電阻，在設計時就可確定；Rx和Ry為調試電阻， 在設計時先按理想參數計算初試值，然后通過"晶振溫度特性自動測試系 統"的測試，再根據測試結果重新計算確定。C4是隔直偶合電容，C3和 L3是與壓控網絡公用部分，R2接到穩壓電路的退偶輸出端VD2 ，為T型 網絡提供穩定的工作電壓。
圖6示出了本溫補壓控恒溫晶體振蕩器的EMI電路，由圖6可見，本 EMI電路中，方波信號的輸出端(CLK)和EMI電路的Ji型網絡輸入端 相接，"型網絡的串臂為一只磁珠(L5), n型網絡的兩個并臂分別為高 頻小電容C21和C24， ^型網絡輸出端接至振蕩器的信號輸處腳，L5和C21， C24構成信號輸出腳的EMI電路，防止振蕩器的高頻電磁波外輻射； 在電源輸入腳與地之間并接一只高頻旁路電容(C22)和一只低頻濾波電 容(C23)， C22和C23構成電源輸入腳的EMI電路，防止外來電磁波干 擾。
實施例2
圖7示出了本實用新型的另一結構，由圖7可見，本結構為低壓供電 的溫補壓控恒溫晶體振蕩器。圖4是工作電壓為+12V時的TCVCOCXO 的振蕩電路原理圖，變容二極管的反向偏置電壓比較高，因而其電容值相 對小些，壓控變容二極管與溫補變容二極管并聯做為晶體負載電容一部 分。當TCVCOCXO的工作電壓降到為+5V，甚至+3.3V時，變容二極管 的反向偏置電壓比較低，因而其電容值相對比較大，使晶體負載電容變大， 導致壓控頻率牽引范圍變窄，不能滿足時鐘頻率牽引范圍的要求。為保證 在低工作電壓情況下，仍然滿足時鐘頻率牽引范圍的要求，可以將壓控網 絡中的壓控變容管C、和溫補網絡中溫補變容管Cv2由并聯型改為串聯 型，如圖7所示，本結構同樣包括主振電路、壓控網絡和溫補網絡三部份， 主振電路與實施例1的基本相同；溫補網絡由R2、 RT1、 Rx、 RY、 RT2、 R3、 Cv2、 R4、 C4組成，R4接到穩壓電路的退偶輸出端VD2，為溫補變容 管Cv2提供反向偏置電壓，R2與R4并接到穩壓電路的退偶輸出端VD2 ， 為T型網絡提供穩定的工作電壓。
壓控網絡由R5、 R6、 R7、 R8、 Cvl、 C5組成，C5為偶合和隔直電容， C5既使壓控變容管C^和溫補變容管Cv2相串聯，又將壓控網絡和溫補網 絡的直流工作電壓相互隔開，R7接到壓控端Vc，調整壓控電壓，改變壓 控變容管Cw的反向偏置電壓，實現頻率牽引的要求，R5接到穩壓電路的 退偶輸出端Vm，為壓控變容管Cw提供穩定的反向內偏置電壓，當壓控 端Vc開路(無頻率牽引要求)時輸出準確和穩定的基準頻率。
上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式 并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原 理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都 包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1、一種溫補壓控恒溫晶體振蕩器，包括壓控恒溫控制電路，其特征在于所述壓控恒溫控制電路中位于晶體與地間設置有并聯諧振回路。
2、 根據權利要求1所述的溫補壓控恒溫晶體振蕩器，其特征在于 所述并聯諧振回路包括一只與晶體串聯的電感， 一只與電感并聯的調諧電 容， 一只壓控變容管通過一只隔直偶合電容與電感并聯，另一只溫補變容 管通過另一只隔直偶合電容也與電感并聯。
3、 根據權利要求1或2所述的溫補壓控恒溫晶體振蕩器，其特征在于所述并聯諧振回路的并聯諧振頻率設置為〈0.8fQ ， fo為標稱頻率。
4、 根據權利要求1或2所述的溫補壓控恒溫晶體振蕩器，其特征在于包括二次曲線溫度補償網絡，所述二次溫度曲線補償網絡是一個模擬 的不對稱的T型網絡，由一只負溫度系數的片式熱敏電阻和一只調試電阻并聯后再與一只固定電阻串聯組成T型網絡的串臂輸入端，由另一只負溫 度系數的片式熱敏電阻與另一只調試電阻串聯組成T型網絡的并臂，T型網絡的串臂輸出端是一只固定電阻接至溫補變容管的負極，為溫補變容管 提供反向偏置電壓。
5、 根據權利要求1或2所述的溫補壓控恒溫晶體振蕩器，其特征在 于在本電路的電源輸入端和信號輸出端之間增加設置有EMI電路。
6、 根據權利要求5所述的溫補壓控恒溫晶體振蕩器，其特征在于所述EMI電路分兩部分， 一部分設置在方波信號輸出端，在信號的輸出端 設置一個;n型網絡，i型網絡的串臂是一只磁珠，Ji型網絡的兩個并臂分 別為一只高頻小電容，Ji型網絡有效抑制高頻電磁波外輻射；另一部分設 置在電源輸入端，在電源輸入腳與地之間并接一只高頻旁路電容和一只低 頻濾波電容。
專利摘要本實用新型公開了一種溫補壓控恒溫晶體振蕩器，包括壓控恒溫控制電路，所述壓控恒溫控制電路中位于晶體與地間設置有并聯諧振回路；本產品結構還可包括有二次曲線溫度補償網絡和EMI電路。本實用新型可滿足通信設備時鐘比較寬的頻率牽引范圍要求(如三級鐘要求VCOCXO的頻率牽引范圍為±6ppm～±8ppm，甚至更寬)，頻率溫度穩定度較高，可較好地防止電磁干擾和輻射。
文檔編號H03L1/02GK201243273SQ20082005036
公開日2009年5月20日 申請日期2008年7月8日 優先權日2008年7月8日
發明者劉桂華, 李曉云, 旭 林, 黃恭義 申請人:廣州市天馬電訊科技有限公司