專利名稱：溫度補(bǔ)償式恒溫控制晶體振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及溫度補(bǔ)償式恒溫控制晶體振蕩器(“TCOCXO”)。
背景技術(shù)：
已經(jīng)知道將溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器(“TCXO”)放在恒溫器(oven)中來使TCXO的溫度保持在預(yù)定的工作范圍內(nèi)，在美國專利US6,501,340號(“′340專利”)中公開了這種技術(shù)。由于尺寸、復(fù)雜程度和成本的約束，不太可能在小的封裝外殼內(nèi)實現(xiàn)TCXO的完全的恒溫控制，最多僅僅能夠部分控制晶體封裝外殼和振蕩器電路。被迫形成了橫跨該結(jié)構(gòu)的熱梯度，從而在晶體與溫度補(bǔ)償電路之間造成了溫度差，這個溫度差隨著環(huán)境溫度改變，所需的功率也隨著環(huán)境溫度改變。這相當(dāng)大地破壞了溫度補(bǔ)償，從而使得非常良好的TCXO變差。

發(fā)明內(nèi)容


在附圖中，類似的附圖標(biāo)記代表在全部幾個圖中所示的本發(fā)明實施例的類似部分，并且其中圖1示出了對受溫度控制的頻率源進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ膶嵤├?；圖2示出了TCOCXO組件的實施例；圖3示出了溫度補(bǔ)償器的框圖的實施例；圖4示出了恒溫器塊組件的實施例；圖5示出了安裝在支撐板的實施例上的圖4的恒溫器塊組件；圖6示出了圖5的支撐板的不同視圖；
圖7示出了陶瓷塊、振蕩器、晶體、熱敏電阻、加熱器和補(bǔ)償電路的電路布局圖的實施例；圖8示出用于陶瓷塊和恒溫器控制電路的PCB布局圖的實施例；和圖9示出恒溫器溫度控制體制的實施例。
具體實施例方式
如果保持完全恒溫，則可以大大提高TCXO的頻率穩(wěn)定性?？梢詫CXO放在恒溫外殼中，比如放在用于常規(guī)恒溫控制晶體振蕩器(OvenControl Crystal Oscillator，“OCXO”)的恒溫外殼中。該恒溫外殼可以包括銅塊和/或鋁塊，可以將TCXO的部件(例如，晶體、振蕩器等)安裝在所述銅塊和/或鋁塊上和/或所述銅塊和/或鋁塊內(nèi)。需要隔熱屏來保持晶體和振蕩器恒溫，從而使跨越TXCO的熱梯度最小。恒溫控制溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(“OCTCXO”)的性能可以通過下列措施得到進(jìn)一步提高(1)使用轉(zhuǎn)折點(turnover)溫度(低/零溫度系數(shù)的區(qū)域)與恒溫器的控制溫度相匹配的晶體角度和/或(2)在恒溫器的控制溫度的溫度范圍中對補(bǔ)償進(jìn)行偏置。
熱補(bǔ)償也可以用于消除溫度控制的不足(例如，非常嚴(yán)格的溫度控制)和/或因尺寸、功率和/或成本約束造成的溫度梯度。熱補(bǔ)償可以在溫度控制建立起來之后加以應(yīng)用，從而能夠測量和修正各個振蕩器的具體頻率穩(wěn)定特性。
圖1示出了方法100的一種實現(xiàn)方式。在方框105中，方法100提供受溫度控制的頻率源。在方框110中，方法100對該受溫度控制的頻率源進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
圖2示出了例如消除了非常嚴(yán)格的“恒溫”溫度控制的必要性的TCOCXO200的一個實施例。該TCOCXO采用了密封外殼205、支撐板210和/或恒溫器塊組件215。密封外殼可以用諸如氙這樣的絕熱氣體填充。該TCOCXO可以包括可編程溫度補(bǔ)償專用集成電路(“ASIC”)，用以消除OCXO中的頻率錯誤。
圖4示出了裝配在陶瓷塊上側(cè)的腔體內(nèi)的溫度補(bǔ)償ASIC。該腔體可以用環(huán)氧樹脂填充?？梢栽谔沾蓧K下側(cè)安裝加熱裝置，并且可以將晶體安放在陶瓷塊的上表面上，例如，直接處于包含溫度補(bǔ)償ASIC的密封腔體上方。
如圖5中所示，加熱器和溫度傳感器可以位于陶瓷塊上。也可以將溫度傳感器和/或晶體(直接和/或間接地)安放在具有溫度補(bǔ)償ASIC的密封腔體的頂表面上，并且可以將加熱器(直接和/或間接地)安放在陶瓷塊的底表面上。溫度傳感器此外也可以安放在陶瓷塊的底表面上。該陶瓷塊可以包括TCXO與晶體的所有相互連接線路，并且可以包括用來實現(xiàn)對溫度傳感器和加熱裝置的遠(yuǎn)程訪問的附加連接線路。
將陶瓷塊加熱到相當(dāng)恒定的溫度?？刂萍訜崞鞯目刂齐娐肺挥谥伟?例如，支撐印刷電路板(“PCB”))上，如圖4和5中所示。加熱器和溫度傳感器安裝在陶瓷塊上。隨著加熱器的啟動而進(jìn)行環(huán)境溫度掃描，并且記錄晶體發(fā)出的頻率。對TCOCXO進(jìn)行控制，以使得晶體的溫度能夠輕微移動(例如幾度)，并且該TCOCXO采用例如質(zhì)量比OCXO裝置低的恒溫器。溫度掃描提供頻率與環(huán)境溫度之間對應(yīng)關(guān)系的結(jié)果，這使得校正值能夠得以設(shè)置到溫度補(bǔ)償ASIC中，以消除恒溫器控制遺留的頻率偏差。
TCOCXO的溫度可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)OCXO原理設(shè)定，例如，剛好設(shè)定在最小功率消耗所對應(yīng)的工作溫度之上和/或設(shè)定在最佳補(bǔ)償所對應(yīng)的晶體的零溫度系數(shù)點處。如果在溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)活性下降(activity dip)(活性下降會造成振蕩器的輸出中的頻率不穩(wěn)定)，則測試具有活性下降的裝置的性能，并且加以評估，判斷是否將其廢棄。TCOCXO應(yīng)當(dāng)不包含處于加熱電路對溫度進(jìn)行控制的范圍內(nèi)的活性下降。晶體的活性下降會出現(xiàn)在任何溫度范圍內(nèi)，減小晶體的溫度范圍會減小遇到活性下降的風(fēng)險。
TCOCXO會產(chǎn)生比常規(guī)TCXO高的頻率穩(wěn)定性，同時與OCXO相比，尺寸和功耗得到大大減小。而且，通過TCOCXO的方法(減少由不太良好的受控恒溫器遺留的頻率溫度特性中的殘留誤差)能夠?qū)崿F(xiàn)比通過′340專利的方法(試圖加熱成品TCXO)實現(xiàn)的性能更好的性能。
TCOCXO的溫度補(bǔ)償ASIC可以是C-MAC的“Pluto”ASIC。C-MAC有很長的研發(fā)ASIC裝置的歷史，其中屬于Rokos等人的美國專利US4,560,959號(此處以引用的方式并入本文)介紹了溫度補(bǔ)償?shù)囊环N實施方式。溫度補(bǔ)償ASIC(比如“Pluto”ASIC)可以引入屬于Rokos的美國專利US6,549,055號(《method and apparatus for generating an inputsignal for parameter sensitive signal》)和美國專利申請US10/485,583號(《variable reactance tuning circuit》)中公開的特征，這兩篇專利文獻(xiàn)以引用的方式并入本文。圖3示出了“Pluto”ASIC的一個實施例的框圖。使用變?nèi)荻O管(varactor)來調(diào)諧頻率，此處由求和放大器的電壓來控制電抗。TCOCXO可以采用ASIC來提高性能和/或減小成品模塊的尺寸和成本。
溫度補(bǔ)償ASIC可以是模擬溫度補(bǔ)償芯片。Pluto裝置例如包括高級功能，所述高級功能包括數(shù)字控制的模擬溫度補(bǔ)償、通過電壓控制的調(diào)節(jié)頻率(“頻率牽引”)、頻率牽引的線性化、諧波選擇、針對低壓操作的同步電壓放大和全部具有三態(tài)的三種不同的輸出緩沖器。
Pluto的功能包括通過產(chǎn)生溫度的零到四階多項式的Chebyshev函數(shù)(切比雪夫函數(shù))實現(xiàn)的輸出頻率的四階模擬溫度補(bǔ)償。這些函數(shù)經(jīng)由倍增D/A轉(zhuǎn)換器得到加權(quán)、通過求和放大器得到疊加并且施加給電壓控制晶體振蕩器(“VCXO”)信號發(fā)生器。Pluto使得TCOCXO能夠使用以前僅能使用更大、更貴的數(shù)字補(bǔ)償或高階模擬補(bǔ)償裝置實現(xiàn)的具有穩(wěn)定性的四階補(bǔ)償。
溫度補(bǔ)償VCXO的輸出頻率是由內(nèi)部產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓和外部施加的調(diào)節(jié)電壓之和決定的。在不進(jìn)行修正的情況下，VCXO的頻率與電壓的對應(yīng)關(guān)系特性的非線性導(dǎo)致該裝置的頻率與溫度的對應(yīng)關(guān)系特性取決于調(diào)節(jié)電壓。這稱作‘整形變形(trim skew)’。此外，由于晶體和變?nèi)荻O管對溫度有依賴性，所以頻率與電壓對應(yīng)關(guān)系曲線的斜率將會是溫度的函數(shù)，限制了可得到的溫度穩(wěn)定性。
這兩種影響在“Pluto”ASIC中都得到了最小化，“Pluto”ASIC包括插入在VCXO之前的電路塊。補(bǔ)償和調(diào)節(jié)電壓的加權(quán)和構(gòu)成對這一電路塊的輸入，而輸出是施加給變?nèi)荻O管的電壓，調(diào)節(jié)VCXO的頻率。象′055專利中介紹的那樣，可以對該電路塊的非線性傳遞函數(shù)進(jìn)行數(shù)字編程，以精確補(bǔ)償VCXO的頻率調(diào)節(jié)的非線性。溫度傳感器向該電路塊提供額外的輸入。這個額外輸入用于以這樣一種方式控制該電路的總增益校正晶體和變?nèi)荻O管對溫度的依賴性。
結(jié)果是，利用在整個溫度范圍內(nèi)都恒定的電壓敏感性實現(xiàn)了高度線性的VCXO。這進(jìn)而使得能夠在整個調(diào)節(jié)電壓范圍內(nèi)得以實現(xiàn)異常穩(wěn)定的頻率與溫度對應(yīng)關(guān)系。線性化中使用的倍增DAC的數(shù)字控制使得針對個體的設(shè)置能夠得以進(jìn)行，為各個振蕩器給出了最佳結(jié)果。
在一個實施例中，TCOCXO包括溫度補(bǔ)償電路、振蕩器(包括變?nèi)荻O管)、晶體、熱敏電阻、加熱器晶體管(和電流檢測/加熱器電阻器)和集成到陶瓷互連塊之中和/或之上的相互連接線路，如圖4、圖5和圖6所示。熱敏電阻在用于加熱控制的溫度檢測電路中使用。圖7示出了電路布局圖，包括陶瓷塊、振蕩器、晶體、熱敏電阻、加熱器和補(bǔ)償電路。只有恒溫器控制電路可以安裝在支撐PCB上，如圖5和6所示。圖8示出了PCB布局圖，包括陶瓷塊和恒溫器控制電路。恒溫器控制可以針對各種不同的溫度控制方案來進(jìn)行設(shè)置，下面將對此加以介紹。ASIC可以集成振蕩器、變?nèi)荻O管、補(bǔ)償(熱和/或頻率電壓控制線性度)、電壓調(diào)節(jié)器、通信功能和/或存儲器功能。
例如，CMAC的包括“Pluto”ASIC的TCXO ASIC(1995年左右的原型6階ASIC)包括配置成共享的通信接口，以使連接線路的數(shù)量最少。該ASIC采用與電壓控制輸入共用的單一管腳通信。在編程之后，將編程接口切斷，并且在最終產(chǎn)品中可以形成為無功能接口，以避免與ASIC進(jìn)行錯誤通信。頻率輸出管腳也用于向ASIC外部進(jìn)行狀態(tài)通信。結(jié)果，與ASIC進(jìn)行通信可以不需要額外的連接線路，所以最終的TCOCXO組件不會喪失額外的熱量。ASIC的補(bǔ)償方案可以相對靈活，因為高達(dá)四階的多項式可以用于補(bǔ)償并且各階都可以從零向它的最大值正向和負(fù)向地增減。該ASIC能夠?qū)崿F(xiàn)通用的溫度補(bǔ)償，不僅僅局限于AT-cutTCXO補(bǔ)償。
如圖9中所示，恒溫器溫度控制體制可以包括
●TCXO不加熱并且裝置跟蹤環(huán)境溫度。
●OCXO精確保持裝置的溫度。
●TCOCXO.1裝置的溫度得到尺寸和復(fù)雜程度所允許的嚴(yán)格控制，但是裝置的溫度會使環(huán)境溫度發(fā)生幾個百分點的擺動。相信這對于頻率穩(wěn)定性來說是最佳的TCOCXO，但是需要比另外一些可供選用的TCOCXO恒溫器結(jié)構(gòu)高的功率消耗。
●TCOCXO.2根本不對裝置的溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。加熱器在整個操作范圍內(nèi)都是工作的。通過不維持固定不變的裝置溫度，能夠?qū)崿F(xiàn)較低功耗。
●TCOCXO.3設(shè)定最大加熱器電流限度。在環(huán)境溫度較高的情況下，此時所需要的加熱器電流低于這個最大電流，裝置的溫度相當(dāng)恒定。在環(huán)境溫度較低的情況下，加熱器電流受到限制并且裝置溫度按照與環(huán)境溫度一樣的梯度下降。這種技術(shù)在功率較低和電流受限的應(yīng)用中很有用。
●TCOCXO.4斷開設(shè)定點適當(dāng)?shù)匚挥诠ぷ鳒囟确秶鷥?nèi)。在環(huán)境溫度高于這個設(shè)定點的情況下，恒溫器不工作。低于這個點，恒溫器控制裝置的溫度。在使裝置溫度保持低于TCOCXO.1的情況下，實現(xiàn)了較低的功耗。和/或●TCOCXO.5控制體制與TCOCXO.4相同，但是有額外的低電流限制，使得裝置能夠具有與環(huán)境溫度相同的熱梯度。這進(jìn)一步減小了功耗，但是增大了TCXO所表現(xiàn)出來的溫度擺動。
在體制3的情況下，如果發(fā)生電流限制時的溫度與晶體溫度系數(shù)中的零匹配，則可以使頻率穩(wěn)定性性能最佳。在體制4的情況下，如果恒溫器設(shè)定點與晶體溫度系數(shù)中的零一致，則可以使頻率穩(wěn)定性性能最佳。此外，在體制5的情況下，發(fā)生電流限制時的溫度應(yīng)當(dāng)與晶體的零溫度系數(shù)的區(qū)域匹配。通過適當(dāng)選擇AT-cut晶體角度，能夠輕松實現(xiàn)所有這些要求。
為了對例如在較小封裝外殼中的恒溫控制振蕩器進(jìn)行補(bǔ)償，需要了解各種不同的補(bǔ)償方案和/或選取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償ASIC，比如“Pluto”ASIC。
TCOCXO對受溫度控制的頻率源(比如OCXO)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在受溫度控制的頻率源中，可以將頻率源保持或抑制在一定溫度范圍內(nèi)。OCTCXO(如在′340專利中公開的)對TCXO進(jìn)行溫度控制(即加熱)。在TCXO中，頻率源的溫度隨著環(huán)境溫度變化并且對環(huán)境溫度改變造成的頻率變化進(jìn)行修正(補(bǔ)償)。TCOCXO與OCTCXO的方法明顯不同，因為流過TCXO的熱流(如′340專利所公開的)會降低TCXO的性能。C-MAC的測量結(jié)果表明，與對TCXO進(jìn)行溫度控制相比，通過對OCXO進(jìn)行溫度補(bǔ)償，至少能夠使性能提高一個數(shù)量級。
前面對所介紹的實施例的說明是為了使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制作或使用本發(fā)明而給出的。可以對這些實施例進(jìn)行各種不同的變型，并且本文給出的一般性原理也可以應(yīng)用于其它實施例。因而，本發(fā)明并不是想要局限于上面給出的實施例和/或任何具體的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，而是要求給予與本文中以任何樣式公開的原理和新穎特征相符合的最寬的范圍。
權(quán)利要求
1.一種方法，所述方法包括提供受溫度控制的頻率源；和通過對所述受溫度控制的頻率源進(jìn)行溫度補(bǔ)償，減小溫度變化對所述受溫度控制的頻率源的工作頻率的影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述受溫度控制的頻率源包括恒溫控制晶體振蕩器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述溫度補(bǔ)償是通過使用溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器專用集成電路來提供的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述溫度補(bǔ)償包括四階模擬溫度補(bǔ)償。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述四階模擬溫度補(bǔ)償是通過產(chǎn)生溫度的零到四階多項式切比雪夫函數(shù)來提供的。
6.一種溫度補(bǔ)償式恒溫控制晶體振蕩器，所述溫度補(bǔ)償式恒溫控制晶體振蕩器包括恒溫控制晶體振蕩器；和與所述恒溫控制晶體振蕩器相接的溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器專用集成電路，其中所述溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器專用集成電路被配置為用于對所述恒溫控制晶體振蕩器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
全文摘要
本發(fā)明提供了溫度補(bǔ)償式恒溫控制晶體振蕩器。一種方法給出了受溫度控制的頻率源。該方法通過對所述受溫度控制的頻率源進(jìn)行溫度補(bǔ)償而減小了溫度變化對所述受溫度控制的頻率源的工作頻率的影響。所述受溫度控制的頻率源可以是恒溫控制晶體振蕩器(DCXO)并且所述受溫度控制的頻率源可以是TCXO ASIC。模擬溫度補(bǔ)償可以通過產(chǎn)生溫度的零到四階多項式Chebyshev函數(shù)來提供。
文檔編號H03L1/00GK101027839SQ200580023677
公開日2007年8月29日 申請日期2005年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月15日
發(fā)明者奈杰爾·大衛(wèi)·哈代, 卡爾·羅伯特·沃德 申請人:C－Mac石英晶體有限公司