专利名称：温补压控恒温晶体振荡器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种恒温晶体振荡器，特别涉及一种温补压控恒温晶
体振荡器(TCVCOCXO)。
背景技术：
在国家标准GB12048-89《数字网内时钟和同步设备的进网要求》中， 将我国数字同步网时钟分为四级 第一级基准时钟(铯原子钟)；
第二级有记忆功能的高稳晶体时钟，设置于数字网中的各级长途交 换中心；
第三级有记忆功能的高稳晶体时钟，设置于端局和汇接局； 第四级 一般晶体时钟，设置于远端模块、数字终端设备、数字用户 交换设备。
在我国早期二、三级时钟使用的压控恒温晶体振荡器(VC0CX0)是采 用玻壳密封的三次泛音精密晶体(SC或AT切型)，并采用双层恒温技术， 体积较大。 一般的VC0CX0采用如图la所示的电容三端式(考毕兹)交流 等效振荡电路；实际的晶振交流等效电路如图lb，其中Cv是用来调节振 荡频率， 一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现，这也是压控作用 的机理；把晶体的等效电路代替晶体后如图lc。其中Co， Cl， Ll， RR是 晶体的等效参数。分析整个振荡槽路可知，利用Cv来改变频率是有限的: 决定振荡频率的整个槽路电容是由Cbe， Cce， Cv三个电容串联后和Co并联 再和C1串联组成的。可以看出Cl越小，Co越大，Cv变化时对整个槽路 电容的作用就越小。因而能"压控"的频率范围也越小。实际上，由于C1 很小(1E-15量级)，Co不能忽略(lE-12量级， 一般为2 7PF)。所以，Cv 变大时，降低槽路频率的作用越来越小，Cv变小时，升高槽路频率的作用 却越来越大。这一方面引起压控特性的非线性，压控范围越大，非线性就 越厉害；另一方面，施加在晶体上的激励电压却越来越小，最后导致停振。采用泛音次数越高的晶体，其等效电容Cl就越小；因此频率的变化范围 也就越小。
在公开号为CN2472421Y的中国实用新型专利"混合型晶体振荡器" 公开了将"温度补偿技术"与"温度控制技术"相结合的技术，该专利采 用简易的一次曲线温度补偿网络(见图2)来补偿简易恒温结构而带来的 频率温度波动。其不足之处是它只能满足在一定工作温度区间内，达到 10一7量级频率温度稳定度的要求。
在公开号为CN101027839A的中国发明专利"温度补偿式恒温控制晶 体振荡器"公开了 "对受温度控制的频率源进行温度补偿的方法"，该专 利提出温度补偿式恒温控制晶体振荡器(TC0CX0)的几种实施例，采用零 到四阶多项式的切比雪夫函数实现输出频率的四阶模拟温度补偿，而且是 通过专用的模拟温度补偿芯片实现的。其不足之处是工艺技术比较复杂， 实施难度较大，制造成本较高。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种可满足 某些通信设备时钟比较宽的频率牵引范围要求(如三级钟要求VC0CX0的 频率牵引范围为士6ppm 土8ppm，甚至更宽)，频率温度稳定度较高、实 现工艺比较简单的温补压控恒温晶体振荡器。
本实用新型的目的通过下述技术方案实现 一种温补压控恒温晶体振 荡器，包括压控恒温控制电路，其特征在于所述压控恒温控制电路中位 于晶体与地间的负载电容替换为并联谐振回路。
所述并联谐振回路包括一只与晶体串联的电感， 一只与电感并联的调 谐电容， 一只压控变容管通过一只隔直偶合电容与电感并联，另一只温补 变容管通过另一只隔直偶合电容也与电感并联。
所述并联谐振回路的并联谐振频率必须设置在<0. 8fo (fo为标称频 率，按产品技术指标规定，由晶体的等效参数和负载电容即Cbe，Cce，Cv 三个电容串联值决定)，使VC0CX0工作频率为标称频率fo时，这个并联谐
振回路呈现容性电抗。
为了提高OCXO频率温度稳定度，可将简易的一次曲线温度补偿网络 改进为二次曲线温度补偿网络，所述二次温度曲线补偿网络是一个模拟的不对称的T型网络，由一只负温度系数的片式热敏电阻和一只调试电阻并 联后再与一只固定电阻串联组成T型网络的串臂输入端，由另一只负温度 系数的片式热敏电阻与另一只调试电阻串联组成T型网络的并臂，T型网 络的串臂输出端是一只固定电阻接至温补变容管的负极，为温补变容管提 供反向偏置电压。上述固定电阻和热敏电阻在设计时可确定其参数；所述 调试电阻在设计时先按理想参数计算初试值，然后通过现有的"晶振温度 特性自动测试系统"的测试，再根据测试结果重新计算确定其参数。
为了满足通信设备时钟对电磁干扰(EMI)的抑制要求，在本电路的 电源输入端和信号输出端之间增加设置有EMI电路,有效地抑制电磁波的 干扰和辐射。所述EMI电路分两部分， 一部分设置在方波信号输出端，在 信号的输出端设置一个K型网络，n型网络的串臂是一只磁珠，n型网络 的两个并臂分别为一只高频小电容，"型网络有效抑制高频电磁波外辐 射；另一部分设置在电源输入端，在电源输入脚与地之间并接一只高频旁 路电容和一只低频滤波电容，防止外来电磁波干扰。
本实用新型的作用原理是 (1)通过对图1的原理分析可知，要使得振荡频率稳定又要满足压 控频率牵引范围的要求，调节振荡频率的Cv选值十分重要，有些通信设 备的三级时钟要求VCOCXO压控频率牵引范围宽至士 (10 15)ppm,比较 普遍要求是士 (6 8)卯m ，实现这样宽的频率牵引范围，对泛音晶体来 说是很困难的(高稳定晶体振荡器一般都采用泛音晶体，泛音次数越高频 率越稳定，但频率牵引系数越小，频率牵引范围越窄)，有的为满足频率 牵引范围指标要求，将晶体的负载电容设计得很小，即Cv的容值必定很 小，但Cv又必需包含压控变容管、温补变容管和微调中心频率电容及分 布电容的总容量；为解决这个矛盾，本技术方案将Cv改进成一个并联谐
振回路，将并联谐振频率设置在<0. 8 fo ，使VCOCXO工作频率为标称频
率fo时，这个并联谐振回路呈现容性电抗。并联谐振回路替代电容Cv后，
使得泛音晶体的串、并联谐振频率间隔展宽，频率牵引系数增大，解决了 频率牵引范围窄的问题；为保持晶体频率稳定，并联谐振回路的电感值要
控制在一个比较小范围内，以保证并联谐振回路的电容值足够大，使其足 够包含压控变容管、温补变容管和微调中心频率电容及分布电容的总容量。微调中心频率电容可以调整压控中心频率和对称性。既满足比较宽的 频率牵引范围要求，又改善频率牵引的压控线性度。
(2) 现有技术采用简易的一次曲线温度补偿网络(见图2)来补偿简 易恒温结构带来的频率温度波动，其方法简单，方便批量生产，但它只能 满足在一定工作温度区间(比如0 5(TC)内，达到l(T量级的要求，而 现代通信设备的二、三级时钟对VC0CX0频率温度稳定度要求都比较高， 一般来说，在宽温度工作范围内(例如-20°C +70°C) 二级时钟要求频 率温度稳定度为10—9量级，三级时钟要求频率温度稳定度为10—8量级，要 达到这样高的频率温度稳定度，简易的一次曲线温度补偿网络是不可能满
足的。设计ocxo时，根据晶体在零温度系数点周围(土5x:)的温度系数
(SC晶体一般为lX10—7t:， AT晶体一般为1X10—7°C)，要求晶体及振
荡级电路元件在恒温槽内的温度波动应小于o. 1度，对于双层恒温槽结构
来说，这是没问题的，但对简单的恒温结构，是不可能的，本申请人经过 多年的反复试验和分析研究，这种简单的恒温结构对晶体来说其温度波动
一般可达到士5t:，最好水平也只能达到士3。C，这意味着二级时钟或三级
时钟的频率温度稳定度将下降5X 10—8或5X 10—7 ，这下降特性通常出现在 工作温度的高端或低端，呈现上翘或下弯，这种特性通过二次曲线温度补 偿网络来补偿是完全可能的，从而保持时钟的频率温度稳定度不下降。
(3) 在VC0CX0的应用中，有时会出现同一类型的高稳晶振在不同的 时钟单元中的使用效果完全不同，在某一通信设备时钟单元中稳定工作的 vcocxo，换到另一通信设备时钟单元中却不能稳定工作，经常导致时钟误 码， 一般是EMI的原因。为了保证时钟输出信号有较佳的功能特性，在设 计VC0CX0的整形输出级时，通常会采用较快的上升时间和较高的驱动能 力的高速IC芯片，但是从EMI的噪声辐射角度来看，这些快速的上升时间 和较大的驱动能力往往是造成噪声变得较大的主因。因为实际的时钟信 号，并非是完全理想的方波，而会存在着一些过冲电压和高频谐波的现象， 由于这些现象的存在就会使得频域中的高频谐波增大，当时钟信号输出端 与外电路的连线形成天线效应时，这些高频谐波就会干扰时钟单元的稳定 工作，导致时钟误码，因而新型通信设备的时钟单元要求其关键器件一 VC0CX0必须设置EMI电路，防止电磁干扰和辐射。
本实用新型相对现有技术具有如下的优点及效果(1) 本方案设置了并联谐振回路构成的压控网络，可满足通信设备
时钟比较宽的频率牵引范围要求(如三级钟要求vcocxo的频率牵引范围
为士6ppm 士8ppm，甚至更宽)，又可明显地改善频率牵引的压控线性度， 减小时钟信号抖动，提高时钟频率的稳定度。
(2) 本方案利用二次曲线温度补偿网络来取代现有的一次曲线温度 补偿网络，可较好地保持时钟的频率温度稳定度不下降，满足二级时钟或 三级时钟的频率温度稳定度较高的要求。
(3) 设置有EMI电路，可有效地抑制电磁波对时钟单元的干扰和辐 射，保证时钟单元的稳定工作。
图1是现有的VCOCXO的振荡电路原理图。
图2是一次曲线温度补偿网络的原理图。
图3是本实用新型TCVCOCXO的电路原理方框图。
图4是本实用新型TCVCOCXO的振荡电路原理图。
图5是本实用新型TCVCOCXO的二次曲线温度补偿网络电路原理图。
图6是本实用新型TCVCOCXO的EMI电路原理图。
图7是本实用新型低压供电的TCVCOCXO的振荡电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细描述，但本实用新 型的实施方式不限于此。 实施例1
图3示出了本实用新型的结构，由图3可见，温补压控恒温晶体振荡 器包括主振电路、选频放大、整形输出、温控电路、稳压电路、压控网络、 温补网络和EMI电路。稳压电路经EMI接至振荡器的电源输入脚(Vcc)， 稳压电路输出分5路为主振电路、选频放大、整形输出、压控网络、温补 网络提供稳定的直流工作电压或偏置电压；温控电路直接至电源输入脚 (Vcc)，其温度传感器一热敏电阻安装在晶体旁边，主振电路、压控网络 的主要元器件(包括晶体)紧靠温控电路发热的功率管，工作于晶体零温度系数点周围的一个较窄温度范围内；压控网络为位于晶体与地间的并联
谐振回路，其内偏置电压端接至稳压电路的退偶输出，输入端接至振荡器
的压控输入脚，输出端接至晶体；温补网络与压控网络并联位于晶体与地 间的并联谐振回路，其内偏置电压端接至稳压电路的退偶输出，输出端接 至晶体；主振电路的工作电压端接稳压电路的输出，其输出的振荡频率信 号与选频放大级的输入端相接，选频放大电路将信号提纯放大后输入整形 输出级IC输入端；整形IC输出的方波信号接至EMI电路的输入端，EMI 电路的输出端接到振荡器的信号输出脚。
所述并联谐振回路如图4所示，由L3、 C3、 C5、 CV1和C4、 Cv2组
成，这个并联谐振回路的并联谐振频率必须设置在〈0.8f()，使振荡器工
作频率为标称频率f0时，这个并联谐振回路呈现容性电抗。另外，R5、 R6、 R7、 R8组成电阻网络与Cxa并联，R7接至压控端Vc，改变压控端 电压就可实现频率牵引；R5接至稳压电路的退偶输出端VD,，为压控变容 管Cw提供固定内偏置电压，可为无频率牵引要求的电子装置提供高稳定 的频率基准。调整C5的容量可以改善频率牵引范围及压控线性度，调整 C3的容量可以调整压控中心频率和对称性。既满足比较宽的频率牵引范 围要求，又改善频率牵引的压控线性度。
图5示出了本温补压控恒温晶体振荡器的二次曲线温度补偿网络电 路，由图5可见，本二次曲线温度补偿网络是一个模拟的不对称T型网络， 由RT1 、 Rx并联再与R2串联组成T型网络的串臂输入端，RT2与RY串联 组成T型网络的并臂，R3为T型网络的串臂输出端接至变容管Cv2的负 极，T型网络与变容管Cv2并联，其中R^和Rt2为负温度系数的片式热 敏电阻，R2和R3为固定电阻，在设计时就可确定；Rx和Ry为调试电阻， 在设计时先按理想参数计算初试值，然后通过"晶振温度特性自动测试系 统"的测试，再根据测试结果重新计算确定。C4是隔直偶合电容，C3和 L3是与压控网络公用部分，R2接到稳压电路的退偶输出端VD2 ，为T型 网络提供稳定的工作电压。
图6示出了本温补压控恒温晶体振荡器的EMI电路，由图6可见，本 EMI电路中，方波信号的输出端(CLK)和EMI电路的Ji型网络输入端 相接，"型网络的串臂为一只磁珠(L5), n型网络的两个并臂分别为高 频小电容C21和C24， ^型网络输出端接至振荡器的信号输处脚，L5和C21， C24构成信号输出脚的EMI电路，防止振荡器的高频电磁波外辐射； 在电源输入脚与地之间并接一只高频旁路电容(C22)和一只低频滤波电 容(C23)， C22和C23构成电源输入脚的EMI电路，防止外来电磁波干 扰。
实施例2
图7示出了本实用新型的另一结构，由图7可见，本结构为低压供电 的温补压控恒温晶体振荡器。图4是工作电压为+12V时的TCVCOCXO 的振荡电路原理图，变容二极管的反向偏置电压比较高，因而其电容值相 对小些，压控变容二极管与温补变容二极管并联做为晶体负载电容一部 分。当TCVCOCXO的工作电压降到为+5V，甚至+3.3V时，变容二极管 的反向偏置电压比较低，因而其电容值相对比较大，使晶体负载电容变大， 导致压控频率牵引范围变窄，不能满足时钟频率牵引范围的要求。为保证 在低工作电压情况下，仍然满足时钟频率牵引范围的要求，可以将压控网 络中的压控变容管C、和温补网络中温补变容管Cv2由并联型改为串联 型，如图7所示，本结构同样包括主振电路、压控网络和温补网络三部份， 主振电路与实施例1的基本相同；温补网络由R2、 RT1、 Rx、 RY、 RT2、 R3、 Cv2、 R4、 C4组成，R4接到稳压电路的退偶输出端VD2，为温补变容 管Cv2提供反向偏置电压，R2与R4并接到稳压电路的退偶输出端VD2 ， 为T型网络提供稳定的工作电压。
压控网络由R5、 R6、 R7、 R8、 Cvl、 C5组成，C5为偶合和隔直电容， C5既使压控变容管C^和温补变容管Cv2相串联，又将压控网络和温补网 络的直流工作电压相互隔开，R7接到压控端Vc，调整压控电压，改变压 控变容管Cw的反向偏置电压，实现频率牵引的要求，R5接到稳压电路的 退偶输出端Vm，为压控变容管Cw提供稳定的反向内偏置电压，当压控 端Vc开路(无频率牵引要求)时输出准确和稳定的基准频率。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式 并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原 理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都 包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1、一种温补压控恒温晶体振荡器，包括压控恒温控制电路，其特征在于所述压控恒温控制电路中位于晶体与地间设置有并联谐振回路。
2、 根据权利要求1所述的温补压控恒温晶体振荡器，其特征在于 所述并联谐振回路包括一只与晶体串联的电感， 一只与电感并联的调谐电 容， 一只压控变容管通过一只隔直偶合电容与电感并联，另一只温补变容 管通过另一只隔直偶合电容也与电感并联。
3、 根据权利要求1或2所述的温补压控恒温晶体振荡器，其特征在于所述并联谐振回路的并联谐振频率设置为〈0.8fQ ， fo为标称频率。
4、 根据权利要求1或2所述的温补压控恒温晶体振荡器，其特征在于包括二次曲线温度补偿网络，所述二次温度曲线补偿网络是一个模拟 的不对称的T型网络，由一只负温度系数的片式热敏电阻和一只调试电阻并联后再与一只固定电阻串联组成T型网络的串臂输入端，由另一只负温 度系数的片式热敏电阻与另一只调试电阻串联组成T型网络的并臂，T型网络的串臂输出端是一只固定电阻接至温补变容管的负极，为温补变容管 提供反向偏置电压。
5、 根据权利要求1或2所述的温补压控恒温晶体振荡器，其特征在 于在本电路的电源输入端和信号输出端之间增加设置有EMI电路。
6、 根据权利要求5所述的温补压控恒温晶体振荡器，其特征在于所述EMI电路分两部分， 一部分设置在方波信号输出端，在信号的输出端 设置一个;n型网络，i型网络的串臂是一只磁珠，Ji型网络的两个并臂分 别为一只高频小电容，Ji型网络有效抑制高频电磁波外辐射；另一部分设 置在电源输入端，在电源输入脚与地之间并接一只高频旁路电容和一只低 频滤波电容。
专利摘要本实用新型公开了一种温补压控恒温晶体振荡器，包括压控恒温控制电路，所述压控恒温控制电路中位于晶体与地间设置有并联谐振回路；本产品结构还可包括有二次曲线温度补偿网络和EMI电路。本实用新型可满足通信设备时钟比较宽的频率牵引范围要求(如三级钟要求VCOCXO的频率牵引范围为±6ppm～±8ppm，甚至更宽)，频率温度稳定度较高，可较好地防止电磁干扰和辐射。
文档编号H03L1/02GK201243273SQ20082005036
公开日2009年5月20日 申请日期2008年7月8日 优先权日2008年7月8日
发明者刘桂华, 李晓云, 旭 林, 黄恭义 申请人:广州市天马电讯科技有限公司