專利名稱：晶體振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明存在于具有基于晶體單元的頻率溫度特性的晶體振蕩器的技術(shù)領(lǐng)域，并且 具體地涉及一種晶體振蕩器，該晶體振蕩器的頻率溫度特性在一標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)被校正。
背景技術(shù)：
由于晶體振蕩器相比于使用陶瓷等的振蕩器具有顯著更高的Q值，并且具有優(yōu)異 的頻率穩(wěn)定性，所以可以在使用頻率和時(shí)間作為基準(zhǔn)源的各種類型的電子設(shè)備中引入晶體 振蕩器。作為一種類型的晶體振蕩器，有這樣一種晶體振蕩器，其中使用具有AT切割作為 代表切割角度并且具有大約10至100MHz的頻帶的晶體單元。 圖5、6A和6B是描述現(xiàn)有技術(shù)晶體振蕩器的圖，其中圖5是現(xiàn)有技術(shù)晶體振蕩器 的電路圖，而圖6A和6B是現(xiàn)有技術(shù)晶體振蕩器的頻率溫度特性圖。 晶體振蕩器使用分壓電容器(Ca和Cb)和晶體單元1作為電感器元件而形成諧振 電路。晶體振蕩器被制成所謂的Colpitts型振蕩器，其中諧振電路的振蕩頻率由振蕩放大 器2回饋放大。在該例子中，將振蕩放大器2制成共集電極作為發(fā)送器Tr。電壓可變電容 元件(可變電容二極管)3串聯(lián)連接于晶體單元1 ，而控制電壓Vc施加在電壓可變電容元件 3的端子之間。 從AFC電路輸入控制電壓Vc，該AFC電路連同晶體振蕩器一起被合并在電子設(shè)備 的集基板(set substrate)上，該控制電壓Vc例如是自動(dòng)頻率控制電壓(AFC電壓)。由 于AFC電壓根據(jù)電子設(shè)備的規(guī)格而不同，所以通常由第一電阻器Ra和第二電阻器Rb來(lái)分 壓并施加該AFC電壓。因此，通過(guò)選擇其中電壓可變電容元件3相對(duì)于電壓的電容變化為 線性的部分，就可以改進(jìn)振蕩頻率的頻率變化特性。順便提及，圖中的符號(hào)Rl、 R2和R3指 代偏壓電阻器，RC指代高頻阻塞電阻器，Ct指代頻率調(diào)節(jié)電容器、Vcc指代電源，而Vout指 代輸出。 在這種晶體振蕩器中，振蕩頻率根據(jù)溫度，特別是根據(jù)晶體單元(AT切割)1的頻 率溫度特性而變化。在AT切割晶體單元中，頻率溫度特性成為在常溫(大約25tO附近具 有拐點(diǎn)的三次曲線。在AT切割晶體單元中，根據(jù)極微小不同的切割角度，導(dǎo)致了在標(biāo)準(zhǔn)溫 度范圍(-20至7(TC)的兩側(cè)具有最大值和最小值的三次曲線(圖6A中的曲線A)以及在 常溫側(cè)具有最大值和最小值的三次曲線(圖6B中的曲線B)。 并且，例如，如果晶體單元1的工作溫度是恒溫型的，則選擇在高溫側(cè)具有最大值 的頻率溫度特性(圖6A中的曲線A)，在該恒溫型中，通過(guò)具有加熱器(未示出)等的溫度 控制電路而將晶體單元l的工作溫度固定、并且穩(wěn)定為高的工作溫度。在這種情況下，如果 將工作溫度設(shè)置為常溫或更低，則當(dāng)溫度超過(guò)常溫時(shí)，溫度不能被降低。因此，將工作溫度 設(shè)置為超過(guò)常溫的最大值。在最大值處，以該溫度為中心的振蕩頻率的波動(dòng)寬度(變化量)減小。 此外，在典型的晶體振蕩器中，由于即使溫度從常溫改變?yōu)榈蜏貍?cè)或高溫側(cè)也抑 制了振蕩頻率的波動(dòng)寬度，因此也如上述情況那樣，選擇具有最大值和最小值的頻率溫度 特性(圖6B中的曲線B)。 順便提及，日本專禾U申請(qǐng)JP-UM-A-59-118307、 JP-UM-A-61-81208和 JP-A-6-85538每個(gè)都描述了現(xiàn)有技術(shù)晶體振蕩器。 然而，在具有上述結(jié)構(gòu)的晶體振蕩器中，晶體振蕩器的頻率溫度特性取決于晶體 單元l，而晶體單元l的頻率溫度特性特別地取決于微妙的切割角度(以秒為單位)。因此， 對(duì)于切割晶體單元l(人造晶體)而言需要嚴(yán)格的加工。此外，如果切割角度偏離標(biāo)準(zhǔn)切割 角度，或者如果由其他電路元件導(dǎo)致的溫度特性的影響較大，則相對(duì)于溫度的頻率偏移變 為在標(biāo)準(zhǔn)之下。因此，出現(xiàn)晶體振蕩器的產(chǎn)率下降的問題。 因此，例如，考慮應(yīng)用這樣一種電容器作為用于調(diào)節(jié)振蕩頻率的電容器Ct，該電容 器具有溫度特性，并且其電容值具有正特性或負(fù)特性。即，通過(guò)電容器的溫度特性，使頻率 溫度特性以常溫(即，拐點(diǎn)的大約25°C )為中心，而使得頻率溫度特性為標(biāo)準(zhǔn)?？傊?，由根 據(jù)溫度而變化的電容器的電容，改變從晶體單元1的兩端所觀察到的串聯(lián)等效電容(負(fù)載 電容)，并且頻率溫度特性被校正。 例如，對(duì)于如在圖6A中的曲線A，在標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍(-20至70°C )的頻率溫度特性 的最大值或最小值超過(guò)可允許偏差± appm的情況，具有負(fù)特性的電容器適用于曲線A，該 負(fù)特性向右側(cè)傾斜下降(即，其電容值隨著溫度上升而下降)。因此，由于電容器的電容值 隨著溫度上升而下降，從而導(dǎo)致振蕩頻率上升，頻率溫度特性左轉(zhuǎn)以使得最大值和最小值 都變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)(曲線A')。此外，在這種情況下，可以通過(guò)頻率溫度特性滿足該標(biāo)準(zhǔn)，該頻率 溫度特性是非對(duì)稱的，并且僅僅其最大值在該標(biāo)準(zhǔn)之外。 此外，對(duì)于如在圖6B的曲線B，對(duì)于即使頻率溫度特性的最大值和最小值在頻率 偏差± appm之內(nèi)，在標(biāo)準(zhǔn)溫度內(nèi)的兩側(cè)處，頻率溫度特性的最大值和最小值都在頻率偏 差以外的情況，適用于具有正特性的電容器，該正特性向右側(cè)傾斜上升(即，其電容值隨著 溫度上升而上升)。因此，由于電容器的電容值隨著溫度上升而上升，從而導(dǎo)致振蕩頻率下 降，頻率溫度特性右轉(zhuǎn)，并且甚至在標(biāo)準(zhǔn)溫度的兩側(cè)也納入頻率偏差中(圖6B的曲線B')。 此外，可以通過(guò)頻率溫度特性滿足該標(biāo)準(zhǔn)，其中僅該頻率溫度特性的高溫側(cè)在該標(biāo)準(zhǔn)之外。
然而，事實(shí)上，僅僅不多的幾種電容器具有溫度特性，而大多數(shù)的電容器具有向右 側(cè)傾斜下降的負(fù)特性。因此，在這些情況中，即便可以通過(guò)右轉(zhuǎn)來(lái)校正頻率溫度特性，也難 以通過(guò)左轉(zhuǎn)校正頻率溫度特性。此外，在任何一種情況下，例如，僅僅幾種類型(即，四種類 型)的具有負(fù)特性的電容器是可得的，在它們當(dāng)中的特性上存在大的變化，從而變得難以 設(shè)計(jì)和制造晶體振蕩器。特別地，在其頻率偏差為例如ppb級(jí)(1/10億)的恒溫型晶體振 蕩器的情況下，存在精細(xì)調(diào)節(jié)變得困難的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種晶體振蕩器，其能夠通過(guò)校正頻率溫度特性來(lái)促進(jìn)設(shè) 計(jì)。 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種晶體振蕩器，其包括晶體單元和電壓可變的電
4容性元件，該電壓可變的電容性元件串聯(lián)連接于所述晶體單元，該晶體振蕩器通過(guò)在該電
壓可變的電容性元件的端子之間施加控制電壓以及通過(guò)改變當(dāng)從晶體單元的端子之間觀
察的振蕩器電路的一側(cè)的串聯(lián)等效電容，來(lái)改變振蕩頻率，其中晶體振蕩器還包括用于分
壓所述控制電壓的第一電阻器和第二電阻器，并且其中所述第一電阻器和第二電阻器的至
少一個(gè)是溫度感測(cè)電阻器，其阻抗基于溫度而改變，從而校正振蕩頻率的頻率溫度特性。 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，在所述晶體振蕩器中，其中所述控制電壓是由所述第一
電阻器和第二電阻器預(yù)先分壓的自動(dòng)頻率控制電壓。 根據(jù)本發(fā)明的第三方面，在所述晶體振蕩器中，其中該晶體振蕩器是恒溫型晶體 振蕩器，其中晶體單元的工作溫度恒定。 根據(jù)本發(fā)明的第四方面，在所述晶體振蕩器中，其中所述控制電壓是晶體振蕩器 的電源電壓的分壓。 根據(jù)本發(fā)明的第五方面，在所述晶體振蕩器中，其中所述溫度感測(cè)電阻器是線性 電阻器，其電阻值相對(duì)于溫度線性地改變。 根據(jù)本發(fā)明的各方面，施加到所述電壓可變的電容性元件的所述控制電壓變?yōu)榛?br> 于溫度感測(cè)電阻器的溫度而變化的電壓。因此，由于所述電壓可變的電容性元件的電容也
基于溫度而變化，所以在晶體單元的端子之間觀察到的所述串聯(lián)等效電容也可以變化。因
此，如果將控制電壓設(shè)置為依據(jù)頻率溫度特性而使所述串聯(lián)等效電容平衡，則所述頻率溫
度特性可以被校正在標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。因此，可以改進(jìn)各種類型的晶體振蕩器的產(chǎn)率。 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，通過(guò)使得所述第一電阻器和第二電阻器的至少一個(gè)成為
基于溫度的電阻器，可以促進(jìn)本發(fā)明的應(yīng)用。 根據(jù)本發(fā)明的第三方面，可以容易地設(shè)計(jì)高度穩(wěn)定的振蕩器，其中振蕩頻率的頻 率偏差例如在ppb的量級(jí)。 根據(jù)本發(fā)明的第四方面，一般的晶體振蕩器的頻率溫度特性可以容易地保持在標(biāo) 準(zhǔn)之內(nèi)。 根據(jù)本發(fā)明的第五方面，通過(guò)容易地控制基于第一電阻器和第二電阻器的分壓， 可以滿足頻率溫度特性在標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的晶體振蕩器的電路圖； 圖2A是用于晶體振蕩器的電阻器的溫度特性圖，而圖2B是用于晶體振蕩器的電 壓可變的電容性元件的電容特性圖； 圖3是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的晶體振蕩器的電路圖；
圖4A和4B是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的晶體振蕩器的電路圖；
圖5是現(xiàn)有技術(shù)晶體振蕩器的電路圖；以及
圖6A和6B是現(xiàn)有技術(shù)晶體振蕩器的頻率溫度特性圖。
具體實(shí)施例方式(第一實(shí)施例) 圖1和2是用于說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的晶體振蕩器的圖。圖1是晶體振
5蕩器的電路圖。圖2A是用于晶體振蕩器的電阻器的溫度特性圖，而圖2B是用于晶體振蕩 器的電壓可變的電容性元件的電容特性圖。順便提及，與現(xiàn)有技術(shù)相同的那些元件將給予 相同的參考數(shù)字，并且簡(jiǎn)化或省略它們的描述。 如上所述，晶體振蕩器使用AT切割晶體單元1作為電感元件而形成分壓電容器 (Ca和Cb)以及諧振電路，并且被制成Colpitts型振蕩器，其由用于共集振蕩器的放大器 2(晶體管Tr)回饋放大。在該實(shí)施例中，使用恒溫型晶體振蕩器，特別地，在該恒溫型晶體 振蕩器中，通過(guò)溫度控制電路(未示出)而將晶體單元1的工作溫度固定在8(TC。該晶體 振蕩器具有輸入端，成為AFC電壓的控制電壓Vc施加到該輸入端。 如上所述，分壓控制電壓Vc的所述第一電阻器Ra和第二電阻器Rb連接在控制電 壓Vc(AFC電壓)的輸入端和地電位之間。第一電阻器Ra連接到輸入端，而第二電阻器Rb 連接到地電位(基準(zhǔn)電位)。成為反向電壓的分壓被從第一電阻器Ra和第二電阻器Rb的 串聯(lián)連接點(diǎn)施加到電壓可變的電容性元件3的陰極。 在第一實(shí)施例中，將第一電阻器Ra制成如現(xiàn)有技術(shù)中相對(duì)于溫度的相對(duì)于溫度 恒定的電阻值(圖2A的曲線p)，而將第二電阻器Rb制成溫度感測(cè)電阻器Rb (t)，其阻抗值 基于溫度而變化。這里，所述溫度感測(cè)電阻器Rb(t)是線性電阻器，阻抗值隨著溫度的增加 而線性地增加，即，電阻器Rb(t)具有正特性(圖2A中的曲線q)。 在這種類型中，在由第一電阻器Ra和第二電阻器Rb所分壓的控制電壓Vc(分壓) 中，由于第二電阻器Rb是線性電阻器Rb(t)，所以在串聯(lián)連接點(diǎn)處的分壓基于溫度而變化。 由于第二電阻器Rb的線性電阻器Rb(t)具有正特性并且在地電位側(cè)，所以當(dāng)溫度上升時(shí)， 由于線性電阻器Rb(t)而施加到輸入端的控制電壓Vc(AFC電壓)中的電壓降上升。因此， 在串聯(lián)連接點(diǎn)處的分壓隨著溫度的增加而增加，并且相對(duì)于溫度具有正特性。
并且，如相對(duì)于施加電壓的電壓可變的電容性元件3的電容特性(圖2B)所示，施 加電壓變得越大，電容值變得越小。換言之，施加電壓變得越小，電容變得越大。因此，電壓 可變的電容性元件3的電容隨著溫度的增加而減小，相對(duì)于溫度具有正特性的分壓施加到 該電壓可變的電容性元件3上。因此，電壓可變的電容性元件3具有相對(duì)于溫度的負(fù)特性。
因此，如果溫度上升，由于電壓可變的電容性元件3的電容值減小而從晶體單元1 觀察到的振蕩電路的串聯(lián)等效電容減小，所以振蕩頻率增加。因此，通過(guò)電壓可變的電容性 元件3的電容的增加，晶體單元1和基于其的振蕩頻率的頻率溫度特性以常溫(即，拐點(diǎn)溫 度的大約25tO為中心左轉(zhuǎn)。 從上述說(shuō)明判斷，在標(biāo)準(zhǔn)溫度(例如，-2(TC至70°C )內(nèi)的最大值和最小值具有超 出頻率偏差士a的頻率溫度特性(圖6A的曲線A)，該值可以被校正在標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)(圖6的 曲線A')。由于線性電阻器Rb(t)隨著溫度而線性地變化，所以在各溫度處的波動(dòng)率變得一 致，其中能夠以高度精確性來(lái)校正頻率溫度特性，并且可以促進(jìn)設(shè)計(jì)。這種效果是顯著的， 特別是在其中頻率穩(wěn)定性在ppb(1/10億)的量級(jí)上為高的恒溫型的情況下。
(第二實(shí)施例) 圖3是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的晶體振蕩器的電路圖。順便提及，省略或簡(jiǎn)化 了那些與第一實(shí)施例相同的部分的說(shuō)明。 在第二實(shí)施例中，如在第一實(shí)施例中那樣，將晶體振蕩器制成恒溫型的，其中通過(guò) 溫度控制電路(未示出)而使晶體單元1的工作溫度恒定，并且該晶體振蕩器具有輸入端，由第一電阻器Ra和第二電阻器Rb分壓的控制電壓Vc(AFC電壓)施加到該輸入端。在第 二實(shí)施例中，與第一實(shí)施例不同，使得在輸入端側(cè)的第一電阻器Ra成為正特性的線性電阻 器Ra(t)，其中電阻值隨著溫度的增加而線性地增加，并使得在接地側(cè)的第二電阻器Rb相 對(duì)于溫度恒定。 在這種結(jié)構(gòu)中，由于第一電阻器Ra成為線性電阻器Ra(t)，隨著溫度的增加，電壓
降通過(guò)線性電阻器Ra(t)增加。因此，隨著溫度的增加，在與第二電阻器Rb串聯(lián)連接的點(diǎn)
處的分壓減小，該分壓成為相對(duì)于溫度的負(fù)特性的電壓。電壓可變的電容性元件3的電容
值隨著溫度的增加而增加，相對(duì)于溫度減小的電壓值的分壓(具有負(fù)特性)施加到該電壓
可變的電容性元件3，并且使得電容值成為相對(duì)于溫度的正特性的電容值。 因此，在晶體單元1的端子之間觀察到的振蕩電路的串聯(lián)電容隨著溫度的增加而
增加，并且振蕩頻率減小。因此，在第二實(shí)施例中，通過(guò)基于第一電阻器Ra和第二電阻器Rb
的線性電阻器Ra(t)的分壓，振蕩頻率成為負(fù)特性，通過(guò)該負(fù)特性，振蕩頻率相對(duì)于溫度而
減小。因此，基于晶體單元1的頻率特性的頻率溫度特性以所述拐點(diǎn)為中心右轉(zhuǎn)。 基于上述說(shuō)明，在第二實(shí)施例中，在標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍(-2(TC至70°C )的兩側(cè)，超出頻
率偏差士a的頻率溫度特性(圖6B的曲線B)可以被滿足在標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)(圖6B的曲線B')。
由于線性電阻器Rb(t)的阻抗值相對(duì)于溫度線性地變化，所以在各溫度處的頻率溫度特性
的波動(dòng)率變得一致。因此，可以容易地設(shè)計(jì)晶體振蕩器。因此，第二實(shí)施例對(duì)于將晶體振蕩
器制成其中振蕩器是高度穩(wěn)定的恒溫型的情況是最佳的。(第三實(shí)施例) 圖4A和4B是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的晶體振蕩器的電路圖。順便提及，省略 或簡(jiǎn)化了那些與上述實(shí)施例相同的部分的說(shuō)明。 根據(jù)第三實(shí)施例的晶體振蕩器，與典型的晶體振蕩器相似，由第一電阻器Ra和第 二電阻器Rb，而不是由控制電壓Vc，分壓電源電壓Vcc，并將分壓施加到電壓可變的電容性 元件3的陰極。順便提及，例如施加電源電壓Vcc作為固定電壓。這里，在第三實(shí)施例中，使 得第一電阻器Ra相對(duì)于溫度恒定，而使得第二電阻器Rb成為線性電阻器Rb (t)(見圖4A)。 替換地，使得第一電阻器Ra成為線性電阻器Ra(t)，而使得第二電阻器Rb相對(duì)于溫度恒定 (見圖4B)。 在根據(jù)第三實(shí)施例的這些情況中，如在第一和第二實(shí)施例中那樣，由于施加到電 壓可變的電容性元件3的分壓具有相對(duì)于溫度的正特性或負(fù)特性，所以電壓可變的電容性 元件3的電容將具有相對(duì)于溫度的正特性或負(fù)特性。因此，可以通過(guò)將基于常溫的晶體單 元1的頻率溫度特性左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，來(lái)將頻率溫度特性校正在標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。
在上述實(shí)施例中，溫度感測(cè)電阻器是線性電阻器。替換地，可以將熱敏電阻器、正 溫度系數(shù)熱敏電阻器等應(yīng)用于該溫度感測(cè)電阻器。然而，熱敏電阻器或正溫度系數(shù)熱敏電 阻器的電阻值相對(duì)于溫度指數(shù)地變化，并且電阻值的變化是大的。即，熱敏電阻器或正溫度 系數(shù)熱敏電阻器非常敏感。因此，頻率溫度特性的校正變得不均勻。因此，比起熱敏電阻或 正溫度系數(shù)熱敏電阻，線性電阻器更為有利，因?yàn)榫€性電阻器具有線性，并且相對(duì)于阻抗的 電阻器變化是微小的。 在上述實(shí)施例中，盡管晶體單元是基于AT切割，晶體單元卻不限制于此。例如，SC 切割和IT切割是可接受的。此外，在上述實(shí)施例中，盡管振蕩放大器2是晶體管Tr，但它可以是例如反相器。在該情況下，分壓電容器(Ca和Cb)的一個(gè)或兩者可以同時(shí)用作電壓可 變的電容性元件。此外，理所當(dāng)然的是，晶體振蕩器并不限制于Colpitta型，而正反饋型對(duì) 該晶體振蕩器是可應(yīng)用的，在該正反饋型中，晶體單元的串聯(lián)諧振點(diǎn)成為操作點(diǎn)(振蕩頻 率)。
權(quán)利要求
一種晶體振蕩器，包括晶體單元和電壓可變的電容性元件，該電壓可變的電容性元件串聯(lián)連接于所述晶體單元，該晶體振蕩器通過(guò)在所述電壓可變的電容性元件的端子之間施加控制電壓以及通過(guò)改變從所述晶體單元的端子之間觀察的、所述振蕩器電路的一側(cè)的串聯(lián)等效電容，來(lái)改變振蕩頻率，其中所述晶體振蕩器還包括用于分壓所述控制電壓的第一電阻器和第二電阻器，并且其中所述第一電阻器和所述第二電阻器的至少一個(gè)是溫度感測(cè)電阻器，其阻抗基于溫度而改變，從而校正所述振蕩頻率的頻率溫度特性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的晶體振蕩器，其中所述控制電壓是由所述第一電阻器和所述第二電阻器預(yù)先分壓的自動(dòng)頻率控制電壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的晶體振蕩器，其中所述晶體振蕩器是恒溫型晶體振蕩器，其中使所述晶體單元的工作溫度恒定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的晶體振蕩器，其中所述控制電壓是晶體振蕩器的電源電壓的分壓。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的晶體振蕩器，其中所述溫度感測(cè)電阻器是線性電阻器，其電阻值相對(duì)于溫度線性地改變。
全文摘要
一種晶體振蕩器，包括晶體單元和電壓可變的電容性元件，該電壓可變的電容性元件串聯(lián)連接于所述晶體單元，該晶體單元通過(guò)在所述電壓可變的電容性元件的端子之間施加控制電壓以及通過(guò)改變當(dāng)從晶體單元的端子之間觀察的振蕩器電路的一側(cè)的串聯(lián)等效電容，來(lái)改變振蕩頻率。該晶體振蕩器還包括用于分壓所述控制電壓的第一電阻器和第二電阻器。所述第一電阻器和第二電阻器的至少一個(gè)是溫度感測(cè)電阻器，其阻抗基于溫度而改變，從而校正振蕩頻率的頻率溫度特性。
文檔編號(hào)H03B5/32GK101729023SQ20091018106
公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月27日
發(fā)明者新井淳一 申請(qǐng)人:日本電波工業(yè)株式會(huì)社