專利名稱：具備溫度補償的晶體振蕩器的制作方法
技術領域：
本發明涉及具備溫度補償的晶體振蕩器，具體地，涉及一種通過使用負溫度系數 (NTC)電容器來實現溫度補償的壓控晶體振蕩器(VCXO)。
背景技術：
國際電工委員會(IEC)將石英晶體振蕩器分為4類普通晶體振蕩器(SPXO)、壓 控晶體振蕩器(VCXO)、溫度補償式晶體振蕩器(TCXO)、恒溫控制式晶體振蕩器(OCXO)。目 前發展中的還有數字補償式晶體振蕩器(DCXO)等。按照頻率精度從低到高的順序依次為 普通晶體振蕩器、壓控晶體振蕩器、溫度補償式晶體振蕩器、恒溫控制式晶體振蕩器。普通 晶體振蕩器由于頻率精度要求不高，所以一般沒有采用任何溫度頻率補償措施，價格低廉， 通常用作微處理器的時鐘器件。壓控晶體振蕩器通常用于鎖相環電路，一般沒有采用外加 的溫度頻率補償措施。溫度補償式晶體振蕩器采用外加的溫度敏感器件進行溫度頻率補 償，頻率精度達到10—7 10—6量級，通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無線通信設備等。 恒溫控制式晶體振蕩器將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中，以消除環境溫度變化對頻率的影 響。主要用于一些特定的場合。 這四種晶體振蕩器中的壓控晶體振蕩器通常用于對頻率精度有一定要求但不高 的場合，比如低端CDMA/GSM終端、模塊等。壓控晶體振蕩器通常主要包括作為激勵單元的 晶體管、CMOS管或者反相器；石英晶體；作為石英晶體負載的電容器、變容二極管等。
根據壓控晶體振蕩器的這些組成元件的連接結構，壓控晶體振蕩器可包括考畢茲 (Colpitts)結構或者皮爾斯(Pierce)結構。壓控晶體振蕩器一般不帶溫度補償電路，其 溫度漂移主要取決于石英晶體的溫漂特性。此外壓控晶體振蕩器的溫度漂移還取決于附加 外圍器件(如作為石英晶體負載的電容器)的溫漂特性。壓控晶體振蕩器往往只能做到 在-3(TC至+85"范圍內+/-15ppm到+/-20ppm的頻率精度。 傳統的壓控晶體振蕩器的典型頻率溫度漂移特性如圖1所示，圖1中，每條曲線代 表一個測試的壓控晶體振蕩器的頻率溫度漂移特性。從圖1中可以看出，壓控晶體振蕩器 的頻率隨溫度的漂移較大。因此，通常不帶溫度補償的壓控晶體振蕩器的溫漂會比較厲害。
由于壓控晶體振蕩器的溫度漂移不僅取決于石英晶體的溫漂特性，還取決于附加 外圍器件(如作為石英晶體負載的電容器)的溫漂特性，因此，目前典型的壓控晶體振蕩器 通常選用價格相對便宜的NPO(NegativePositive Zero)電容器作為石英晶體負載的電容 器。NPO電容器是一種最常用的具有溫度補償特性的單片陶瓷電容器，其電容量和介質損耗
非常穩定。NPO電容器的溫度系數范圍是正負對稱的(+/_3(^。!11/1(之內)，它的填充介質是 由銣、釤和一些其它稀有氧化物組成的。NP0電容器的漂移或滯后小于士0.05X。但是使 用具有溫度補償特性的NPO電容器作為石英晶體負載，仍不能從根本上克服壓控晶體振蕩 器的溫度漂移問題。 克服壓控晶體振蕩器的溫漂的另一種方法是使用負溫度系數電阻網絡來對溫度 進行補償，這樣做的話，成本也會比較高。
因此對于一些要求一定頻率精度的采用壓控晶體振蕩器的場合，期待一種廉價的 具備一定溫度補償的壓控晶體振蕩器。
發明內容
針對上述的缺點和不足，本發明提出了一種具備溫度補償的晶體振蕩器，具體地， 涉及一種通過使用負溫度系數(NTC)電容器來實現溫度補償的壓控晶體振蕩器。
本發明的具備溫度補償的晶體振蕩器的基本電路結構的關鍵點在于用負溫度系 數(NTC)電容器替代常作為石英晶體負載的電容器或NPO電容器。為了增加NTC電容器在 整個等效負載電容中的比重，也可以在石英晶體的兩端增加一顆與其并聯的NTC電容器， 這點也很關鍵，因為目前商業NTC電容器的溫度系數偏低，僅僅用負溫度系數(NTC)電容器 替代常作為石英晶體負載的電容器或NPO電容器有可能抵消不了石英晶體的溫度漂移量。
具體地，根據本發明一個方面，提供一種具備溫度補償的晶體振蕩器，所述晶體振 蕩器包括晶體，在所述晶體振蕩器中，形成所述晶體的負載電容的多個電容器至少之一采 用NTC電容器來實現。 其中所述的晶體振蕩器還包括一并聯NTC電容器，并聯在晶體的兩端。 其中所述晶體振蕩器是普通晶體振蕩器、壓控晶體振蕩器、溫度補償式晶體振蕩
器、恒溫控制式晶體振蕩器之一 。 其中當所述晶體振蕩器是壓控晶體振蕩器時，壓控晶體振蕩電路的激勵單元是用 晶體管、MOS管或反相器三者之一實現的。 其中壓控晶體振蕩電路是考畢茲結構或皮爾斯結構。其中NTC電容器的材料為U2J，溫度系數為750ppm+/-120TOm/°C 。 根據本發明的另一個方面，提供一種具備溫度補償的壓控晶體振蕩器，所述壓控
晶體振蕩器包括第一電路以及第二電路。所述第一電路包括第一電容器，所述第一電容
器的一端接地；第二電容器，與所述第一電容器以及所述晶體的一端串聯；第三電容器，與
所述晶體的另一端連接，所述第三電容器的另一端接地，其中所述第一電容器、所述第二電
容器與所述第三電容器作為所述晶體的負載；變容二極管，一端連接在所述第一電容器和
所述第二電容器的連接節點上，另一端接地，其中自動頻率控制信號輸入到所述第一電容
器和所述第二電容器的連接節點。第二電路，用于設置壓控晶體振蕩器的偏置工作條件，形
成所述第一電路的反饋回路，激勵并且放大振蕩信號，并輸出壓控晶體振蕩器的輸出信號。 在所述壓控晶體振蕩器中，形成所述晶體的負載電容的第二電容器和第三電容器
中的至少之一采用NTC電容器來實現。 根據本發明的上述技術方案，利用NTC電容器的負溫度系數特性，當溫度升高時， 由NTC電容器構成的石英晶體的負載電容變小，這使晶體振蕩頻率變高，正好彌補了晶體 振蕩器本身隨溫度升高而頻率變低的缺點；當溫度降低時，由NTC電容器構成的石英晶體 的負載電容變大，這使晶體振蕩頻率變低，正好彌補了晶體振蕩器本身隨溫度降低而頻率 變高的缺點。這樣，晶體頻率溫度漂移的線性區域就可以得到良好的補償。對于晶體頻率 溫度漂移的非線性區域，利用NTC電容器的晶體振蕩器雖然會過度補償，但是在一定的溫 度范圍內，比如在-20°C到+80°C ，這種過度補償帶來的誤差基本可以接受的。
用便宜的NTC電容器取代比較昂貴的熱敏電阻網絡，降低了成本，并大大改善了壓控晶體振蕩器的溫度穩定性，實驗數據表明，采用本發明的方式，只要增加6-7分人民幣就可以把壓控晶體振蕩器的溫漂降低到+/-5。。!11左右，從而使壓控晶體振蕩器的適用范圍大大提高。
通過下面結合附圖對示例實施例的詳細描述，將更好地理解本發明。應當清楚地理解，所描述的示例實施例僅僅是作為說明和示例，而本發明不限于此。本發明的精神和范圍僅僅由所附權利要求書的具體內容限定。下面描述附圖的簡要說明，其中附圖中類似的附圖標記指代相同或相似的元件 圖1是傳統的壓控晶體振蕩器的典型的頻率溫度漂移特性。
圖2是傳統的采用皮爾斯結構的壓控晶體振蕩器的電路示意圖。 圖3是圖2中的壓控晶體振蕩器電路100的核心部分的交流等效電路示意圖。 圖4是根據本發明第一實施例的采用皮爾斯結構的壓控晶體振蕩器的電路示意圖。 圖5是圖4中的壓控晶體振蕩器電路300的核心部分的交流等效電路示意圖
圖6是根據本發明第二實施例的采用皮爾斯結構的壓控晶體振蕩器的電路示意圖。 圖7是圖6中的壓控晶體振蕩器電路300的核心部分的交流等效電路示意圖。 圖8是不同材料的NTC電容器的電容隨溫度的特性圖。 圖9是根據本發明第二實施例的壓控晶體振蕩器的頻率溫度漂移特性。
具體實施例方式
現在將詳細介紹本發明的示例實施例，其示例在附圖中示出。 下面參照附圖，以壓控晶體振蕩器為例，通過與現有技術中的壓控晶體振蕩器與
根據本發明的壓控晶體振蕩器的具體比較，使得本發明的各項目的及其效果更加明顯。
圖2是傳統的采用皮爾斯結構的壓控晶體振蕩器的電路示意圖。 參照圖2，目前典型的采用皮爾斯結構的壓控晶體振蕩器電路100包括壓控端輸
入隔離電阻器101、儲能電路1001、偏置、反饋、激勵及輸出電路1002、去耦濾波電路1003、
輸出耦合電容器115。 自動頻率控制信號AFC經由壓控端輸入隔離電阻器101輸入到儲能電路1001。
儲能電路1001包括晶體105 ;與晶體一端連接的作為晶體的負載的串聯的電容器102、104、以及與晶體另一端連接的電容器106，電容器102、 106的另一端分別接地；變容二極管103，一端連接在電容器102U04的連接節點上，另一端接地。自動頻率控制信號AFC經由壓控端輸入隔離電阻器101輸入到電容器102、 104的連接節點。
偏置、反饋、激勵及輸出電路1002，用于設置壓控晶體振蕩器的偏置工作條件，形成儲能電路的反饋回路，激勵并且放大振蕩信號，并對壓控晶體振蕩器的輸出信號進行緩沖和隔離。偏置、反饋、激勵及輸出電路1002包括激勵晶體管123和輸出晶體管113 ;串聯連接在電源VCC和地之間的電阻器109、 110、 111 ;連接在電源VCC和輸出晶體管113的集電極之間的電阻器122 ;以及連接在激勵晶體管123的發射極和地之間的電阻器114。輸出晶體管113的發射極經由電阻器112連接到儲能電路1001的輸出。激勵晶體管123的集電極連接到儲能電路1001的輸出和電阻器112連接節點。輸出晶體管113的基極連接到電阻器109U10之間的連接節點。激勵晶體管123的基極連接到電阻器110、111之間的連接節點。輸出晶體管113的集電極輸出信號作為偏置、反饋、激勵及輸出電路1002的輸出信號，偏置、反饋、激勵及輸出電路1002的輸出信號經由輸出耦合電容器115之后作為壓控晶體振蕩器電路100的輸出。 去耦濾波電路1003包括連接在各個電壓偏置點以及輸出部分的電容器107、108、116。 壓控晶體振蕩器電路100的核心部分為儲能電路1001和輸出晶體管113以及偏置電阻器109、 110、 111 、 114，去耦電容器116構成的皮爾斯壓控晶體振蕩電路。
圖3是圖2中的壓控晶體振蕩器電路100的核心部分的交流等效電路示意圖。
圖3中，電容器201對應圖2中的電容器104、電容器202對應電容器102、可變電容器203對應變容二極管103的等效電容、晶體管204對應激勵晶體管123、電容器205對應電容器106。 晶體206的負載電容等于電容器202與可變電容器203并聯后與電容器201串聯再與電容器205串聯之后所得到的電容，除了可變電容器203，其他電容器通常都采用幾乎零溫漂的NPO(COG)材料的電容器，這樣晶體206的總的負載電容基本不會隨著溫度變化而變化，振蕩電路的溫度特性主要取決于晶體206的性能。振蕩電路的溫度特性類似圖1所示的頻率溫度特性。 圖4是根據本發明第一實施例的采用皮爾斯結構的壓控晶體振蕩器的電路示意圖。壓控晶體振蕩器電路300包括壓控端輸入隔離電阻器301、儲能電路(第一電路)3001、偏置、反饋、激勵及輸出電路(第二電路)3002、去耦濾波電路3003、輸出耦合電容器315。
該壓控晶體振蕩器電路300與圖2的壓控晶體振蕩器電路100的區別在于儲能電路3001中的電容器304、306采用了 NTC材料的電容器。本發明不限于此，只要將電容器304、306 二者中的至少之一采用NTC材料的電容器，均可以實現本發明的技術思想。
壓控晶體振蕩器電路300的核心部分為儲能電路3001和激勵晶體管322以及偏置電阻器309、310、311 、314，去耦電容器316構成的皮爾斯壓控晶體振蕩電路。
圖5是圖4中的壓控晶體振蕩器電路300的核心部分的交流等效電路示意圖。
圖5的等效電路與圖3的等效電路基本相同。 圖5中，電容器501對應圖4中的電容器304、電容器502對應電容器302、可變電容器503對應變容二極管303的等效電容、晶體管504對應激勵晶體管322、電容器505對應電容器306。不同的是電容器501 、505選用NTC材料的電容器。 晶體506的負載電容等于電容器502與可變電容器503并聯后與電容器501串聯再與電容器505串聯之后所得到的電容，除了可變電容器503，電容器501 、505選用NTC材料的電容器，NTC材料的電容器的容值可隨著溫度升高而降低、隨著溫度下降而升高，電容器502采用幾乎零溫漂的NPO(COG)材料的電容器，這樣晶體506的總的負載電容隨著溫度升高而降低，負載電容的降低將導致壓控晶體振蕩器的振蕩頻率升高，這正好能補償晶體隨溫度升高頻率下降的特性；相反晶體506的總的負載電容隨著溫度下降而升高，負載電容的升高將導致壓控晶體振蕩器的振蕩頻率下降，這正好能補償晶體隨溫度下降而頻率升高的特性。只要通過選用合適材料和容值的NTC電容器501、505，就基本能補償晶體溫漂的線性區域，從而提高壓控晶體振蕩器電路的溫度頻率特性。 圖6是根據本發明第二實施例的采用皮爾斯結構的壓控晶體振蕩器的電路示意圖。 該壓控晶體振蕩器電路300與圖4的壓控晶體振蕩器電路300的區別在于儲能電路3001中的晶體305的兩端并聯了一顆NTC電容器323。 圖7是圖6中的壓控晶體振蕩器電路300的核心部分的交流等效電路示意圖。
圖7的等效電路與圖5的等效電路基本相同，不同在于增加了并聯在晶體506的兩端的電容507，電容器507對應電容器323，電容器507同樣選用NTC材料的電容器
圖7中，晶體506的負載電容等于電容器502與可變電容器503并聯后與電容器501串聯再與電容器505串聯之后所得到的電容再與電容器507并聯最后得到的電容，除了可變電容器503，電容器501、505、507選用NTC材料的電容器，電容器502采用幾乎零溫漂的NPO(COG)材料的電容器，這樣晶體506的總的負載電容隨著溫度升高而降低，負載電容的降低將導致壓控晶體振蕩器的振蕩頻率升高，這正好能補償晶體隨溫度升高頻率下降的特性；相反晶體506的總的負載電容隨著溫度下降而升高，負載電容的升高將導致壓控晶體振蕩器的振蕩頻率下降，這正好能補償晶體隨溫度下降頻率而升高的特性。只要通過選用合適材料和容值的NTC材料的電容器501、505、507，就基本能較好地補償晶體溫漂的線性區域，從而提高壓控晶體振蕩器電路的溫度頻率特性。
圖8是不同材料的NTC電容器的電容隨溫度的特性圖。 從圖8的NTC電容器的溫度特性圖可以得知，這些材料的電容的容值隨著溫度的升高而降低，隨著溫度的降低而升高，呈現負溫度系數的特性。其中U2J材料的溫度系數為-750TOm+/-120ppm/°C，比較適合晶體振蕩器的溫度補償。 因此，根據本發明上述實施例可選用溫度系數為-750ppm+/-120TOm/t^々U2J材料的NTC電容器，即N750型的電容器。 圖9是根據本發明第二實施例的壓控晶體振蕩器電路300的頻率溫度漂移特性，其中電容器304、306、323(對應于圖7的電容器501、505、507)選用U2J材料的N750型的電容器。 比較圖9與圖l，可以看出，根據本發明第二實施例的壓控晶體振蕩器電路300的頻率溫度漂移范圍在+/-5。。!11左右，遠遠小于現有技術的壓控晶體振蕩器電路100的頻率溫度漂移范圍+15ppm到-20ppm。 以上參照具體的壓控晶體振蕩器的例子詳細說明了本發明，但是本發明不限于圖4-7中的具體的電路形式。本發明的關鍵要素就是用NTC電容器實現對包括諸如壓控晶體振蕩器電路的各種晶體振蕩電路類型的溫度補償。顯然地，本發明可以適用于國際電工委員會(IEC)所分類的普通晶體振蕩器、壓控晶體振蕩器、溫度補償式晶體振蕩器、恒溫控制式晶體振蕩器，來改善或進一步提高其溫度頻率特性。顯然地，圖4中的壓控晶體振蕩器電路的激勵單元可以是用晶體管、MOS管或反相器實現，類型可以是考畢茲、皮爾斯或其他類型。 雖然已經圖示和描述了所考慮的本發明的示例實施例，但是本領域技術人員可以理解，隨著技術的進步，可以作出各種變更和修改并可以用等價物替換其元素而不背離本發明的真實范圍-
權利要求
一種具備溫度補償的晶體振蕩器，所述晶體振蕩器包括晶體，其特征在于在所述晶體振蕩器中，形成所述晶體的負載電容的多個電容器至少之一采用NTC電容器來實現。
2. 如權利要求1所述的晶體振蕩器，其特征在于還包括一并聯NTC電容器，并聯在所 述晶體的兩端。
3. 如權利要求1或2所述的晶體振蕩器，其中所述晶體振蕩器是普通晶體振蕩器、壓控 晶體振蕩器、溫度補償式晶體振蕩器、恒溫控制式晶體振蕩器之一。
4. 如權利要求3所述的晶體振蕩器，其中當所述晶體振蕩器是壓控晶體振蕩器時，壓 控晶體振蕩電路的激勵單元是用下列之一者實現晶體管、M0S管以及反相器。
5. 如權利要求4所述的晶體振蕩器，其中所述壓控晶體振蕩電路是下列結構之一者 考畢茲結構以及皮爾斯結構。
6. 如權利要求1所述的晶體振蕩器，其中所述NTC電容器的材料的溫度系數為 750w)m+/-120i)pm/°C。
7. —種具備溫度補償的壓控晶體振蕩器，所述壓控晶體振蕩器包括 第一電路，所述第一電路包括晶體；第一電容器，所述第一電容器的一端接地； 第二電容器，與所述第一電容器以及所述晶體的一端串聯；第三電容器，與所述晶體的另一端連接，所述第三電容器的另一端接地，其中所述第一 電容器、所述第二電容器與所述第三電容器作為所述晶體的負載；以及變容二極管，一端連接在所述第一電容器和所述第二電容器的連接節點上，另一端接 地，其中自動頻率控制信號輸入到所述第一電容器和所述第二電容器的連接節點；以及第二電路，用于設置所述壓控晶體振蕩器的偏置工作條件，形成所述第一電路的反饋 回路，激勵并且放大振蕩信號，并輸出所述壓控晶體振蕩器的輸出信號，其特征在于在所述壓控晶體振蕩器中，形成所述晶體的負載電容的第二電容器和第三電容器中的 至少之一采用NTC電容器來實現。
8. 如權利要求7所述的壓控晶體振蕩器，其特征在于還包括一并聯NTC電容器，并聯 在所述晶體的兩端。
9. 如權利要求7所述的壓控晶體振蕩器，其中所述第二電路的激勵單元是用下列之一 者實現晶體管、MOS管以及反相器。
10. 如權利要求7所述的壓控晶體振蕩器，其中所述NTC電容器的材料的溫度系數為 750w)m+/-120i)pm/°C。
全文摘要
本發明提供一種具備溫度補償的晶體振蕩器，所述晶體振蕩器包括晶體，在所述晶體振蕩器中，形成所述晶體的負載電容的多個電容器至少之一采用負溫度系數(NTC)電容器來實現。用便宜的NTC電容器取代比較昂貴的熱敏電阻網絡，降低了成本，且大大改善了晶體振蕩器的溫度穩定性，使晶體振蕩器的適用范圍大大提高。
文檔編號H03B5/04GK101764571SQ20091025325
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月11日 優先權日2009年12月11日
發明者周建松 申請人:美商威睿電通公司