專利名稱：恒溫晶體振蕩器的制作方法
技術領域：
本發明涉及恒溫晶體振蕩器(0CX0,oven-controlled crystal oscillator),所述恒溫晶體振蕩器配備有晶體單元或晶體元件；恒溫爐，所述恒溫爐包含晶體單元，并且保持晶體單元的溫度恒定；以及振蕩器電路，所述振蕩器電路使用所述晶體單元。
背景技術：
當將晶體振蕩器安裝到電路板等上并且利用電源電壓外部供電時，合并了石英晶體單元作為集成(integral)部件和振蕩器電路的晶體振蕩器使用晶體單元簡單地輸出精確預定頻率的振蕩信號。因此，晶體振蕩器廣泛地用作各種電子器件中的頻率或時間基準源。晶體單元的振動頻率具有高穩定性，但是由于石英固有的頻率-溫度特性，振動頻率隨溫度略微變化。為了解決這一問題，恒溫晶體振蕩器可用作輸出特別精確的振蕩頻 率的晶體振蕩器，其中恒溫晶體振蕩器包括在恒溫爐或恒溫水浴中包含的晶體單元或晶體元件，恒溫爐或恒溫水浴適用于保持晶體單元的溫度恒定。通常，恒溫爐配置用于由電加熱器加熱。通過在恒溫爐中安裝的溫度傳感器來檢測恒溫爐中的溫度，并且將檢測結果反饋給加熱器的驅動電路，以保持恒溫爐中的溫度恒定。如果基于晶體單元的頻率-溫度特性將恒溫爐的溫度設置為使得由于溫度變化導致的頻率變化最小，即使恒溫爐的溫度在環境溫度的影響下微小變化，也保持恒溫晶體振蕩器的振蕩頻率保持最穩定。例如，晶體單元的振動頻率作為溫度的二次函數或三次函數變化，盡管這依賴于從石英晶體切割晶體單元的晶體坯(即振動片)的朝向。因此，振動頻率不會隨著函數曲線頂點處溫度周圍的微小溫度變化而變化。這導致了零溫度系數。因此，將這種溫度稱作零溫度系數(ZTC)點。利用恒溫晶體振蕩器，通常將恒溫爐的溫度設置在晶體單元的ZTC點。圖I是示出了根據現有技術的恒溫晶體振蕩器的結構的電路圖。
恒溫爐10收納了晶體單元X和熱敏電阻器Th，熱敏電阻器適用于檢測加熱爐10中的溫度。恒溫爐10設計用于由電加熱器H加熱，電加熱器H的一端與電源端子11相連，另一端與用于驅動的功率晶體管15的集電極相連。將晶體管15的發射極接地。利用所示的晶體振蕩器，將加熱器H安裝在恒溫爐10中。晶體單元X與使用晶體單元X的振蕩器電路13電連接，并且從振蕩器電路13到輸出端子14輸出振蕩信號。這里，將振蕩器電路13安裝到恒溫爐10外部，但是也可以將其安裝到恒溫爐10內。將電源電壓Vccl外部地提供給電源端子11，但是安裝穩定的電源電路12以根據電源電壓Vccl產生更加穩定的電源電壓Vcc2。利用電源電壓Vcc2向振蕩器電路13供電。使用具有非線性負電阻溫度特性的熱敏電阻器Th。負電阻溫度特性是具有負的電阻溫度系數的電阻溫度特性。為了通過反饋由熱敏電阻器Th產生的檢測結果來驅動加熱器H，安裝電阻器Rl至R3和差分放大器16，并且將來自差分放大器的輸出與功率晶體管15的基極相連。熱敏電阻器Th的一端與電源電壓Vcc2相連,另一端與差分放大器16的反相輸入端(_)相連。將電阻器Rl安裝在反相輸入端(_)和接地點之間。將電阻器R2安裝在差分放大器16的非反相輸入端(+)和電源電壓Vcc2之間，而將電阻器R3安裝在非反相輸入端(+)和接地點之間。因此，熱敏電阻器Th、電阻器Rl至R3、差分放大器16和功率晶體管15構成了恒溫爐10的溫控電路。除了熱敏電阻器Th之外，將構成溫控電路的元件安裝在恒溫爐10外部，并且受到環境溫度的影響。利用這種結構，如果設置電阻器Rl至R3，使得晶體單元X的ZTC點處的熱敏電阻器Th的電阻值和電阻器Rl之間的比率與電阻器R2和電阻器R3之間的比率一致，差分放大器16控制晶體管15，以便當恒溫爐10中的溫度增加時減小晶體管15的集電極電流、進而熱敏電阻器Th的電阻值減小，以及當恒溫爐10中的溫度下降時相反地增加集電極電流、進而熱敏電阻器Th的電阻值增加。因為晶體管15的集電極電流流過加熱器H，最終控制加熱器電流，使得將恒溫爐10中的溫度保持在ZTC點。實際上，利用圖I所示的電路，盡管當恒溫爐10中的溫度恰好在ZTC 點時加熱器電流為零，因為存在一些來自恒溫爐10的熱耗散，恒溫爐10中的溫度不會精確達到ZTC點并且與ZTC點有一些偏離。為了補償這種偏離，設想設置電阻器Rl至R3，使得略微大于ZTC點的溫度是控制目標，但是因為從恒溫爐10耗散的熱量依賴于環境溫度，恒溫爐10的溫度終究受到環境溫度的影響。因此，為了將恒溫爐中的溫度保持在ZTC點，JP2005-165630A提出了一種具有以下結構的恒溫晶體振蕩器與圖I所示電路中的電阻器R2相對應的電阻器具有線性正電阻溫度特性，并且設置用于根據環境溫度改變電阻，使得流過加熱器H的電流隨著環境溫度的降低而增加。JP2011-4382A公開了一種維持恒溫爐中預定溫度的技術，使用適用于檢測環境溫度的熱敏電阻器和適用于檢測恒溫爐中溫度的熱敏電阻器，并且基于環境溫度執行開環控制以及基于恒溫爐中溫度執行閉環控制。即使使用沿相同朝向切割的晶體坯并且振動頻率也相同，晶體單元的ZTC點在產品之間也略微變化。因此，為了生產具有高頻率精度的恒溫晶體振蕩器，需要在通過驅動適用于加熱恒溫爐的加熱器改變恒溫爐溫度的同時，利用在恒溫爐中包含的晶體單元觀察振蕩頻率并且檢測ZTC點，根據檢測的ZTC點確定溫控電路中電阻器的目標值，并且將電阻器調節到目標值。例如，利用圖I所示的電路結構，調節電阻器Rl至R3的至少一個。實際上，在許多情況下調節電阻器R1。然而，即使進行這種調節，依賴于恒溫爐的結構和恒溫爐中熱敏電阻器的布置，熱敏電阻器溫度不會精確匹配晶體單元的溫度。同樣，因為從恒溫爐輻射到周圍的熱量依賴于環境溫度，基于由熱敏電阻器檢測的溫度而確定的ZTC點，即表觀(apparent)ZTC點本身，將隨著環境溫度而變化。因為基于由恒溫爐中的熱敏電阻器檢測的溫度來執行控制，如果表觀ZTC點變化，則不能正確地執行控制。即使根據晶體單元的ZTC點調節溫控電路中的電阻值，因為電阻器本身具有電阻溫度系數并且隨著環境溫度改變它們的電阻值，也需要考慮補償這些變化。最后，為了構建高精度恒溫晶體振蕩器，除了適用于檢測恒溫爐中溫度的熱敏電阻器之外，僅僅安裝適用于檢測環境溫度的溫度傳感器是不夠的，并且需要足夠地考慮溫控電路的結構和調節方法。當使用熱敏電阻器執行溫度控制時，例如，環境溫度和恒溫爐中溫度之間的關系是大略使得恒溫爐中的溫度隨環境溫度的增加而增加，如由圖2A的粗線所表示的，這是因為與環境溫度中的增加相比較由加熱器產生的熱量是不夠的；或者使得恒溫爐中的溫度隨環境溫度的增加而下降，如由圖2B中的粗線所表示的，這是因為與環境溫度中的增加相比較由加熱器產生的熱量過多。圖2A和2B中的哪一個溫度特性實際上起作用依賴于各種因素，包括恒溫爐本身及其周圍的結構和熱環境，以及恒溫爐中熱敏電阻器的布置。在任一種情況下，需要配置和調節溫控電路以便進行補償，使得恒溫爐中的溫度將保持恒定并且與真實的ZTC點一致，而與由圖2A和2B中的虛線所示的環境溫度無關。
發明內容
本發明的目的是提供一種恒溫晶體振蕩器，所述恒溫晶體振蕩器能夠處理晶體單元中ZTC點的差異，并且即使在環境溫度變化的情況下也沒有頻率變化。根據本發明的典型方面，一種恒溫晶體振蕩器包括恒溫爐；收納在恒溫爐中的晶體單元；振蕩器電路，使用所述晶體單元；加熱器，所述加熱器加熱所述恒溫爐；以及溫控電路，驅動加熱器以便使得恒溫爐中的溫度等于晶體單元的零溫度系數點的溫度，其中所述溫控電路包括功率晶體管，與加熱器串聯安裝；差分放大器，驅動所述功率晶體管；熱敏電阻器，安裝在所述恒溫爐中，具有負電阻溫度特性，并且連接在電源電壓和差分放大 器的反相輸入端之間；第一電阻器，安裝在反相輸入端和接地點之間，用于調節零溫度系數點的溫度；第二電阻器，安裝在電源電壓和差分放大器的非反相輸入端之間；以及第三電阻器，安裝在接地點和非反相輸入端之間，以及其中將第二電阻器和第三電阻器之一配置為由多個電阻元件構成的電阻器組件，所述電阻器組件中的電阻元件之一是溫度檢測電阻元件，所述溫度檢測電阻元件具有正電阻溫度特性并且適用于檢測環境溫度。利用上述結構，通常具有高非線性負電阻溫度特性的熱敏電阻器檢測恒溫爐中的溫度，并且將檢測的溫度反饋至差分放大器的反相輸入端(即(_)輸入)。由第一和第二電阻器構成并且與差分放大器的非反相輸入端(即(+))相連的所謂的電阻器網絡除了至少兩個常規電阻元件之外，還合并了具有正電阻溫度特性并且適用于檢測環境溫度的電阻元件。這種結構使得可以處理晶體單元中ZTC點的差異，對由于環境溫度導致的ZTC點中的表觀變化進行補償，并且進一步穩定恒溫晶體振蕩器的振蕩頻率。
圖I是示出了根據現有技術的恒溫晶體振蕩器的結構的電路圖；圖2A和2B是示出了環境溫度和恒溫爐中溫度之間關系的曲線；圖3是示出了根據本發明實施例的恒溫晶體振蕩器的結構的電路圖；圖4是示出了根據本發明另一個實施例的恒溫晶體振蕩器的結構的電路圖；圖5是示出了根據再一個實施例的恒溫晶體振蕩器的結構的電路圖；以及圖6是示出了根據又一個實施例的恒溫晶體振蕩器的結構的電路圖。
具體實施例方式接下來將描述根據本發明優選實施例的恒溫晶體振蕩器。圖3所示的根據本發明實施例的恒溫晶體振蕩器與圖I所示的恒溫晶體振蕩器類似，與圖I所示的不同之處在于溫控電路的電路結構。具體地，圖3所示的電路安裝有的電阻器R21至R23來代替圖I所示電路的電阻器R2。電阻器R21的一端由電源電壓Vcc2供電并且另一端與連接節點17相連。電阻器R22和R23并聯地安裝在連接節點17和差分放大器16的非反相輸入端(+)之間。當在環境溫度和恒溫爐中的實際溫度之間存在如圖2A所示的關系時，即當存在使得恒溫爐中的溫度隨環境溫度的增加而增加的關系時，圖3所示的電路期望保持恒溫爐或恒溫水浴中的溫度恒定或者等于晶體單元X的ZTC點，而與環溫度無關。在圖3所示的結構中，盡管電阻器R1、R3、R21和R22是具有低電阻溫度系數的常規(regular)電阻元件，用作適用于檢測環境溫度的溫度傳感器的電阻器R23是具有線性正電阻溫度特性的電阻元件。電阻器Rl是ZTC調節電阻器，適用于補償晶體單元X的ZTC點中的頻散。電阻器Rl具有基于晶體單元X的實際測量ZTC點而設置的值。另一方面，電阻器R21、R22和R3用于溫控電路的靈敏度調節。如上所述，基于由熱敏電阻器檢測的溫度值的表觀ZTC點可以隨環境溫度變化，但是由于這三個靈敏度調節電阻器R21、R22和R3以及適用于檢測環境溫度并且配置有正電阻溫度特性的電阻器R23，即使環境溫度改變，總是可以將晶體單元X的溫度設置在ZTC點。例如，通過在晶體振蕩器的環境溫度的可想象(conceivable)范圍內的兩個環境溫度點的每一個處查明晶體單元X的表觀ZTC點，可以確 定不會引起表觀ZTC點變化的電阻器R21、R22和R3的電阻值。在這種情況下，可以通過查明隨由熱敏電阻器Th檢測的恒溫爐10中溫度變化的晶體單元X的振動頻率，來確定每一個環境溫度處的表觀ZTC點。圖4所示的根據本發明另一個實施例的恒溫晶體振蕩器與圖I所示的類似，與圖I所示的不同之處在于安裝串聯連接的電阻器R24和R25來代替電阻器R2，其中電阻器R24是具有低電阻溫度系數的常規電阻元件，而電阻器R25具有線性正電阻溫度特性。電阻器Rl和R3都是具有低電阻溫度系數的常規電阻元件。當在環境溫度和恒溫爐中的溫度之間存在如圖2A所示的關系時，圖4所示的電路也期望保持恒溫爐中的溫度恒定或者等于晶體單元X的ZTC點，而與環境溫度無關。在圖4的電路中，電阻器Rl用于ZTC調節，電阻器R3和R24用于靈敏度調節，而電阻器R25用于環境溫度的檢測。如果按照上述相同的方式設置兩個靈敏度調節電阻器R3和R24，即使環境溫度改變，總是可以將晶體單元X的溫度設置在ZTC點。如圖5所示的根據本發明再一個實施例的恒溫晶體振蕩器與圖I所示的類似，但是與圖I所示的不同之處在于溫控電路的電路結構。具體地，圖5所示的電路安裝了電阻器R31至R33來代替圖I所示電路的電阻器R3。電阻器R31的一端接地，另一端與連接節點18相連。電阻器R32和R33并聯地安裝在連接節點18和差分放大器16的非反相輸入端(+)之間。電阻器R32和R33并聯安裝在連接節點18和差分放大器16的非反相輸入端(+)之間。與圖3所示的電路不同，當在環境溫度和恒溫爐中的溫度之間存在如圖2B所示的關系時，即當存在恒溫爐中的溫度隨著環境溫度的增加而下降的關系時，圖5所示的電路期望保持恒溫爐中的溫度恒定或等于晶體單元X的ZTC點，而與環境無關。在圖5所示的結構中，盡管電阻器R1、R2、R31和R32是具有低電阻溫度系數的常規電阻元件，用作適用于檢測環境溫度的溫度傳感器的電阻器33是具有線性正電阻溫度特性的電阻元件。電阻器Rl用于ZTC調節，而電阻器R2、R31和R32用于溫控電路的靈敏度調節。如上所述，基于由熱敏電阻器Th檢測的溫度值的表觀ZTC點可以隨環境溫度變化，但是由于這三個靈敏度調節電阻器R31、R32和R2以及適用于檢測環境溫度并且具有正電阻溫度特性的電阻器R33，即使環境溫度改變，總是可以將晶體單元X的溫度設置在ZTC點。例如，在由熱敏電阻器Th檢測的恒溫爐10中的溫度改變的同時，通過查明晶體單元X的振動頻率，從而在晶體振蕩器環境溫度的可想象范圍內的兩個環境溫度點的每一個查明表觀ZTC點，可以確定不會引起表觀ZTC點變化的電阻器R2、R31和R32的電阻值。圖6所示的根據本發明又一個實施例的恒溫晶體振蕩器與圖I所示的類似，但是與圖I所示的不同之處在于安裝串聯連接的電阻器R34和R35來代替電阻器R3，其中電阻器R34具有線性正電阻溫度特性，而電阻器R35是具有低電阻溫度系數的常規電阻元件。電阻器Rl和R2都是具有低電阻溫度系數的常規電阻元件。當在環境溫度和恒溫爐中的實際溫度之間存在如圖2B所示的關系時，圖6所示的電路也期望保持恒溫爐中的溫度恒定或者等于晶體單元X的ZTC點，而與環境溫度無關。在圖6所示的電路中，電阻器Rl用于ZTC調節，電阻器R2和R35用于靈敏度調節，而電阻器R34用于環境溫度的檢測。如果按照上述相同的方式設置這兩個靈敏度調節電阻器R2和R35，即使環境溫度改變，總是可以將晶 體單元X的溫度設置在ZTC點。
權利要求
1.一種恒溫晶體振蕩器，包括 恒溫爐； 收納在恒溫爐中的晶體單元； 振蕩器電路，使用所述晶體單元； 加熱器，加熱所述恒溫爐；以及 溫控電路，驅動加熱器以使恒溫爐中的溫度等于晶體單元的零溫度系數點的溫度，其中所述溫控電路包括 功率晶體管，與所述加熱器串聯安裝； 差分放大器，驅動所述功率晶體管； 熱敏電阻器，安裝在所述恒溫爐中，具有負電阻溫度特性，并且連接在電源電壓和所述差分放大器的反相輸入端之間； 第一電阻器，安裝在反相輸入端和接地點之間，用于調節零溫度系數點的溫度； 第二電阻器，安裝在電源電壓和所述差分放大器的非反相輸入端之間；以及 第三電阻器，安裝在接地點和非反相輸入端之間，以及 其中將所述第二電阻器和所述第三電阻器之一配置為由多個電阻元件構成的電阻器組件，所述電阻器組件中的電阻元件之一是溫度檢測電阻元件，所述溫度檢測電阻元件具有正電阻溫度特性并且適合于檢測環境溫度。
2.根據權利要求I所述的晶體振蕩器，其中所述電阻器組件包括第一電阻元件和第二電阻元件，所述第一電阻元件安裝在電阻器組件的一端和連接節點之間，而第二電阻元件安裝在所述連接節點和電阻器組件的另一端之間；以及所述溫度檢測電阻元件與所述第二電阻元件并聯地安裝。
3.根據權利要求I所述的晶體振蕩器，其中通過將所述第一電阻元件和所述溫度檢測電阻元件彼此串聯連接來配置所述電阻器組件。
全文摘要
本發明涉及一種恒溫晶體振蕩器。將晶體單元和具有負電阻溫度特性的熱敏電阻器收納在由加熱器加熱的恒溫爐中。驅動加熱器的晶體管由差分放大器的輸出控制，將熱敏電阻器放置在電源電壓和所述差分放大器的反相輸入端之間，以及用于調節晶體單元的零溫度系數點的溫度的第一電阻器安裝在反相輸入端和接地點之間。第二電阻器安裝在電源電壓和所述差分放大器的非反相輸入端之間，以及第三電阻器，安裝在接地點和非反相輸入端之間。所述第二電阻器和所述第三電阻器之一是由多個電阻元件構成的電阻器組件，并且這些電阻元件中的一個具有正電阻溫度特性并且適用于檢測環境溫度。
文檔編號H03B5/32GK102820850SQ201210182708
公開日2012年12月12日 申請日期2012年6月5日 優先權日2011年6月6日
發明者伊藤學, 見留博之 申請人:日本電波工業株式會社