专利名称：具备温度补偿的晶体振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及具备温度补偿的晶体振荡器，具体地，涉及一种通过使用负温度系数 (NTC)电容器来实现温度补偿的压控晶体振荡器(VCXO)。
背景技术：
国际电工委员会(IEC)将石英晶体振荡器分为4类普通晶体振荡器(SPXO)、压 控晶体振荡器(VCXO)、温度补偿式晶体振荡器(TCXO)、恒温控制式晶体振荡器(OCXO)。目 前发展中的还有数字补偿式晶体振荡器(DCXO)等。按照频率精度从低到高的顺序依次为 普通晶体振荡器、压控晶体振荡器、温度补偿式晶体振荡器、恒温控制式晶体振荡器。普通 晶体振荡器由于频率精度要求不高，所以一般没有采用任何温度频率补偿措施，价格低廉， 通常用作微处理器的时钟器件。压控晶体振荡器通常用于锁相环电路，一般没有采用外加 的温度频率补偿措施。温度补偿式晶体振荡器采用外加的温度敏感器件进行温度频率补 偿，频率精度达到10—7 10—6量级，通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等。 恒温控制式晶体振荡器将晶体和振荡电路置于恒温箱中，以消除环境温度变化对频率的影 响。主要用于一些特定的场合。 这四种晶体振荡器中的压控晶体振荡器通常用于对频率精度有一定要求但不高 的场合，比如低端CDMA/GSM终端、模块等。压控晶体振荡器通常主要包括作为激励单元的 晶体管、CMOS管或者反相器；石英晶体；作为石英晶体负载的电容器、变容二极管等。
根据压控晶体振荡器的这些组成元件的连接结构，压控晶体振荡器可包括考毕兹 (Colpitts)结构或者皮尔斯(Pierce)结构。压控晶体振荡器一般不带温度补偿电路，其 温度漂移主要取决于石英晶体的温漂特性。此外压控晶体振荡器的温度漂移还取决于附加 外围器件(如作为石英晶体负载的电容器)的温漂特性。压控晶体振荡器往往只能做到 在-3(TC至+85"范围内+/-15ppm到+/-20ppm的频率精度。 传统的压控晶体振荡器的典型频率温度漂移特性如图1所示，图1中，每条曲线代 表一个测试的压控晶体振荡器的频率温度漂移特性。从图1中可以看出，压控晶体振荡器 的频率随温度的漂移较大。因此，通常不带温度补偿的压控晶体振荡器的温漂会比较厉害。
由于压控晶体振荡器的温度漂移不仅取决于石英晶体的温漂特性，还取决于附加 外围器件(如作为石英晶体负载的电容器)的温漂特性，因此，目前典型的压控晶体振荡器 通常选用价格相对便宜的NPO(NegativePositive Zero)电容器作为石英晶体负载的电容 器。NPO电容器是一种最常用的具有温度补偿特性的单片陶瓷电容器，其电容量和介质损耗
非常稳定。NPO电容器的温度系数范围是正负对称的(+/_3(^。!11/1(之内)，它的填充介质是 由铷、钐和一些其它稀有氧化物组成的。NP0电容器的漂移或滞后小于士0.05X。但是使 用具有温度补偿特性的NPO电容器作为石英晶体负载，仍不能从根本上克服压控晶体振荡 器的温度漂移问题。 克服压控晶体振荡器的温漂的另一种方法是使用负温度系数电阻网络来对温度 进行补偿，这样做的话，成本也会比较高。
因此对于一些要求一定频率精度的采用压控晶体振荡器的场合，期待一种廉价的 具备一定温度补偿的压控晶体振荡器。
发明内容
针对上述的缺点和不足，本发明提出了一种具备温度补偿的晶体振荡器，具体地， 涉及一种通过使用负温度系数(NTC)电容器来实现温度补偿的压控晶体振荡器。
本发明的具备温度补偿的晶体振荡器的基本电路结构的关键点在于用负温度系 数(NTC)电容器替代常作为石英晶体负载的电容器或NPO电容器。为了增加NTC电容器在 整个等效负载电容中的比重，也可以在石英晶体的两端增加一颗与其并联的NTC电容器， 这点也很关键，因为目前商业NTC电容器的温度系数偏低，仅仅用负温度系数(NTC)电容器 替代常作为石英晶体负载的电容器或NPO电容器有可能抵消不了石英晶体的温度漂移量。
具体地，根据本发明一个方面，提供一种具备温度补偿的晶体振荡器，所述晶体振 荡器包括晶体，在所述晶体振荡器中，形成所述晶体的负载电容的多个电容器至少之一采 用NTC电容器来实现。 其中所述的晶体振荡器还包括一并联NTC电容器，并联在晶体的两端。 其中所述晶体振荡器是普通晶体振荡器、压控晶体振荡器、温度补偿式晶体振荡
器、恒温控制式晶体振荡器之一 。 其中当所述晶体振荡器是压控晶体振荡器时，压控晶体振荡电路的激励单元是用 晶体管、MOS管或反相器三者之一实现的。 其中压控晶体振荡电路是考毕兹结构或皮尔斯结构。其中NTC电容器的材料为U2J，温度系数为750ppm+/-120TOm/°C 。 根据本发明的另一个方面，提供一种具备温度补偿的压控晶体振荡器，所述压控
晶体振荡器包括第一电路以及第二电路。所述第一电路包括第一电容器，所述第一电容
器的一端接地；第二电容器，与所述第一电容器以及所述晶体的一端串联；第三电容器，与
所述晶体的另一端连接，所述第三电容器的另一端接地，其中所述第一电容器、所述第二电
容器与所述第三电容器作为所述晶体的负载；变容二极管，一端连接在所述第一电容器和
所述第二电容器的连接节点上，另一端接地，其中自动频率控制信号输入到所述第一电容
器和所述第二电容器的连接节点。第二电路，用于设置压控晶体振荡器的偏置工作条件，形
成所述第一电路的反馈回路，激励并且放大振荡信号，并输出压控晶体振荡器的输出信号。 在所述压控晶体振荡器中，形成所述晶体的负载电容的第二电容器和第三电容器
中的至少之一采用NTC电容器来实现。 根据本发明的上述技术方案，利用NTC电容器的负温度系数特性，当温度升高时， 由NTC电容器构成的石英晶体的负载电容变小，这使晶体振荡频率变高，正好弥补了晶体 振荡器本身随温度升高而频率变低的缺点；当温度降低时，由NTC电容器构成的石英晶体 的负载电容变大，这使晶体振荡频率变低，正好弥补了晶体振荡器本身随温度降低而频率 变高的缺点。这样，晶体频率温度漂移的线性区域就可以得到良好的补偿。对于晶体频率 温度漂移的非线性区域，利用NTC电容器的晶体振荡器虽然会过度补偿，但是在一定的温 度范围内，比如在-20°C到+80°C ，这种过度补偿带来的误差基本可以接受的。
用便宜的NTC电容器取代比较昂贵的热敏电阻网络，降低了成本，并大大改善了压控晶体振荡器的温度稳定性，实验数据表明，采用本发明的方式，只要增加6-7分人民币就可以把压控晶体振荡器的温漂降低到+/-5。。!11左右，从而使压控晶体振荡器的适用范围大大提高。
通过下面结合附图对示例实施例的详细描述，将更好地理解本发明。应当清楚地理解，所描述的示例实施例仅仅是作为说明和示例，而本发明不限于此。本发明的精神和范围仅仅由所附权利要求书的具体内容限定。下面描述附图的简要说明，其中附图中类似的附图标记指代相同或相似的元件 图1是传统的压控晶体振荡器的典型的频率温度漂移特性。
图2是传统的采用皮尔斯结构的压控晶体振荡器的电路示意图。 图3是图2中的压控晶体振荡器电路100的核心部分的交流等效电路示意图。 图4是根据本发明第一实施例的采用皮尔斯结构的压控晶体振荡器的电路示意图。 图5是图4中的压控晶体振荡器电路300的核心部分的交流等效电路示意图
图6是根据本发明第二实施例的采用皮尔斯结构的压控晶体振荡器的电路示意图。 图7是图6中的压控晶体振荡器电路300的核心部分的交流等效电路示意图。 图8是不同材料的NTC电容器的电容随温度的特性图。 图9是根据本发明第二实施例的压控晶体振荡器的频率温度漂移特性。
具体实施例方式
现在将详细介绍本发明的示例实施例，其示例在附图中示出。 下面参照附图，以压控晶体振荡器为例，通过与现有技术中的压控晶体振荡器与
根据本发明的压控晶体振荡器的具体比较，使得本发明的各项目的及其效果更加明显。
图2是传统的采用皮尔斯结构的压控晶体振荡器的电路示意图。 参照图2，目前典型的采用皮尔斯结构的压控晶体振荡器电路100包括压控端输
入隔离电阻器101、储能电路1001、偏置、反馈、激励及输出电路1002、去耦滤波电路1003、
输出耦合电容器115。 自动频率控制信号AFC经由压控端输入隔离电阻器101输入到储能电路1001。
储能电路1001包括晶体105 ;与晶体一端连接的作为晶体的负载的串联的电容器102、104、以及与晶体另一端连接的电容器106，电容器102、 106的另一端分别接地；变容二极管103，一端连接在电容器102U04的连接节点上，另一端接地。自动频率控制信号AFC经由压控端输入隔离电阻器101输入到电容器102、 104的连接节点。
偏置、反馈、激励及输出电路1002，用于设置压控晶体振荡器的偏置工作条件，形成储能电路的反馈回路，激励并且放大振荡信号，并对压控晶体振荡器的输出信号进行缓冲和隔离。偏置、反馈、激励及输出电路1002包括激励晶体管123和输出晶体管113 ;串联连接在电源VCC和地之间的电阻器109、 110、 111 ;连接在电源VCC和输出晶体管113的集电极之间的电阻器122 ;以及连接在激励晶体管123的发射极和地之间的电阻器114。输出晶体管113的发射极经由电阻器112连接到储能电路1001的输出。激励晶体管123的集电极连接到储能电路1001的输出和电阻器112连接节点。输出晶体管113的基极连接到电阻器109U10之间的连接节点。激励晶体管123的基极连接到电阻器110、111之间的连接节点。输出晶体管113的集电极输出信号作为偏置、反馈、激励及输出电路1002的输出信号，偏置、反馈、激励及输出电路1002的输出信号经由输出耦合电容器115之后作为压控晶体振荡器电路100的输出。 去耦滤波电路1003包括连接在各个电压偏置点以及输出部分的电容器107、108、116。 压控晶体振荡器电路100的核心部分为储能电路1001和输出晶体管113以及偏置电阻器109、 110、 111 、 114，去耦电容器116构成的皮尔斯压控晶体振荡电路。
图3是图2中的压控晶体振荡器电路100的核心部分的交流等效电路示意图。
图3中，电容器201对应图2中的电容器104、电容器202对应电容器102、可变电容器203对应变容二极管103的等效电容、晶体管204对应激励晶体管123、电容器205对应电容器106。 晶体206的负载电容等于电容器202与可变电容器203并联后与电容器201串联再与电容器205串联之后所得到的电容，除了可变电容器203，其他电容器通常都采用几乎零温漂的NPO(COG)材料的电容器，这样晶体206的总的负载电容基本不会随着温度变化而变化，振荡电路的温度特性主要取决于晶体206的性能。振荡电路的温度特性类似图1所示的频率温度特性。 图4是根据本发明第一实施例的采用皮尔斯结构的压控晶体振荡器的电路示意图。压控晶体振荡器电路300包括压控端输入隔离电阻器301、储能电路(第一电路)3001、偏置、反馈、激励及输出电路(第二电路)3002、去耦滤波电路3003、输出耦合电容器315。
该压控晶体振荡器电路300与图2的压控晶体振荡器电路100的区别在于储能电路3001中的电容器304、306采用了 NTC材料的电容器。本发明不限于此，只要将电容器304、306 二者中的至少之一采用NTC材料的电容器，均可以实现本发明的技术思想。
压控晶体振荡器电路300的核心部分为储能电路3001和激励晶体管322以及偏置电阻器309、310、311 、314，去耦电容器316构成的皮尔斯压控晶体振荡电路。
图5是图4中的压控晶体振荡器电路300的核心部分的交流等效电路示意图。
图5的等效电路与图3的等效电路基本相同。 图5中，电容器501对应图4中的电容器304、电容器502对应电容器302、可变电容器503对应变容二极管303的等效电容、晶体管504对应激励晶体管322、电容器505对应电容器306。不同的是电容器501 、505选用NTC材料的电容器。 晶体506的负载电容等于电容器502与可变电容器503并联后与电容器501串联再与电容器505串联之后所得到的电容，除了可变电容器503，电容器501 、505选用NTC材料的电容器，NTC材料的电容器的容值可随着温度升高而降低、随着温度下降而升高，电容器502采用几乎零温漂的NPO(COG)材料的电容器，这样晶体506的总的负载电容随着温度升高而降低，负载电容的降低将导致压控晶体振荡器的振荡频率升高，这正好能补偿晶体随温度升高频率下降的特性；相反晶体506的总的负载电容随着温度下降而升高，负载电容的升高将导致压控晶体振荡器的振荡频率下降，这正好能补偿晶体随温度下降而频率升高的特性。只要通过选用合适材料和容值的NTC电容器501、505，就基本能补偿晶体温漂的线性区域，从而提高压控晶体振荡器电路的温度频率特性。 图6是根据本发明第二实施例的采用皮尔斯结构的压控晶体振荡器的电路示意图。 该压控晶体振荡器电路300与图4的压控晶体振荡器电路300的区别在于储能电路3001中的晶体305的两端并联了一颗NTC电容器323。 图7是图6中的压控晶体振荡器电路300的核心部分的交流等效电路示意图。
图7的等效电路与图5的等效电路基本相同，不同在于增加了并联在晶体506的两端的电容507，电容器507对应电容器323，电容器507同样选用NTC材料的电容器
图7中，晶体506的负载电容等于电容器502与可变电容器503并联后与电容器501串联再与电容器505串联之后所得到的电容再与电容器507并联最后得到的电容，除了可变电容器503，电容器501、505、507选用NTC材料的电容器，电容器502采用几乎零温漂的NPO(COG)材料的电容器，这样晶体506的总的负载电容随着温度升高而降低，负载电容的降低将导致压控晶体振荡器的振荡频率升高，这正好能补偿晶体随温度升高频率下降的特性；相反晶体506的总的负载电容随着温度下降而升高，负载电容的升高将导致压控晶体振荡器的振荡频率下降，这正好能补偿晶体随温度下降频率而升高的特性。只要通过选用合适材料和容值的NTC材料的电容器501、505、507，就基本能较好地补偿晶体温漂的线性区域，从而提高压控晶体振荡器电路的温度频率特性。
图8是不同材料的NTC电容器的电容随温度的特性图。 从图8的NTC电容器的温度特性图可以得知，这些材料的电容的容值随着温度的升高而降低，随着温度的降低而升高，呈现负温度系数的特性。其中U2J材料的温度系数为-750TOm+/-120ppm/°C，比较适合晶体振荡器的温度补偿。 因此，根据本发明上述实施例可选用温度系数为-750ppm+/-120TOm/t^々U2J材料的NTC电容器，即N750型的电容器。 图9是根据本发明第二实施例的压控晶体振荡器电路300的频率温度漂移特性，其中电容器304、306、323(对应于图7的电容器501、505、507)选用U2J材料的N750型的电容器。 比较图9与图l，可以看出，根据本发明第二实施例的压控晶体振荡器电路300的频率温度漂移范围在+/-5。。!11左右，远远小于现有技术的压控晶体振荡器电路100的频率温度漂移范围+15ppm到-20ppm。 以上参照具体的压控晶体振荡器的例子详细说明了本发明，但是本发明不限于图4-7中的具体的电路形式。本发明的关键要素就是用NTC电容器实现对包括诸如压控晶体振荡器电路的各种晶体振荡电路类型的温度补偿。显然地，本发明可以适用于国际电工委员会(IEC)所分类的普通晶体振荡器、压控晶体振荡器、温度补偿式晶体振荡器、恒温控制式晶体振荡器，来改善或进一步提高其温度频率特性。显然地，图4中的压控晶体振荡器电路的激励单元可以是用晶体管、MOS管或反相器实现，类型可以是考毕兹、皮尔斯或其他类型。 虽然已经图示和描述了所考虑的本发明的示例实施例，但是本领域技术人员可以理解，随着技术的进步，可以作出各种变更和修改并可以用等价物替换其元素而不背离本发明的真实范围-
权利要求
一种具备温度补偿的晶体振荡器，所述晶体振荡器包括晶体，其特征在于在所述晶体振荡器中，形成所述晶体的负载电容的多个电容器至少之一采用NTC电容器来实现。
2. 如权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于还包括一并联NTC电容器，并联在所 述晶体的两端。
3. 如权利要求1或2所述的晶体振荡器，其中所述晶体振荡器是普通晶体振荡器、压控 晶体振荡器、温度补偿式晶体振荡器、恒温控制式晶体振荡器之一。
4. 如权利要求3所述的晶体振荡器，其中当所述晶体振荡器是压控晶体振荡器时，压 控晶体振荡电路的激励单元是用下列之一者实现晶体管、M0S管以及反相器。
5. 如权利要求4所述的晶体振荡器，其中所述压控晶体振荡电路是下列结构之一者 考毕兹结构以及皮尔斯结构。
6. 如权利要求1所述的晶体振荡器，其中所述NTC电容器的材料的温度系数为 750w)m+/-120i)pm/°C。
7. —种具备温度补偿的压控晶体振荡器，所述压控晶体振荡器包括 第一电路，所述第一电路包括晶体；第一电容器，所述第一电容器的一端接地； 第二电容器，与所述第一电容器以及所述晶体的一端串联；第三电容器，与所述晶体的另一端连接，所述第三电容器的另一端接地，其中所述第一 电容器、所述第二电容器与所述第三电容器作为所述晶体的负载；以及变容二极管，一端连接在所述第一电容器和所述第二电容器的连接节点上，另一端接 地，其中自动频率控制信号输入到所述第一电容器和所述第二电容器的连接节点；以及第二电路，用于设置所述压控晶体振荡器的偏置工作条件，形成所述第一电路的反馈 回路，激励并且放大振荡信号，并输出所述压控晶体振荡器的输出信号，其特征在于在所述压控晶体振荡器中，形成所述晶体的负载电容的第二电容器和第三电容器中的 至少之一采用NTC电容器来实现。
8. 如权利要求7所述的压控晶体振荡器，其特征在于还包括一并联NTC电容器，并联 在所述晶体的两端。
9. 如权利要求7所述的压控晶体振荡器，其中所述第二电路的激励单元是用下列之一 者实现晶体管、MOS管以及反相器。
10. 如权利要求7所述的压控晶体振荡器，其中所述NTC电容器的材料的温度系数为 750w)m+/-120i)pm/°C。
全文摘要
本发明提供一种具备温度补偿的晶体振荡器，所述晶体振荡器包括晶体，在所述晶体振荡器中，形成所述晶体的负载电容的多个电容器至少之一采用负温度系数(NTC)电容器来实现。用便宜的NTC电容器取代比较昂贵的热敏电阻网络，降低了成本，且大大改善了晶体振荡器的温度稳定性，使晶体振荡器的适用范围大大提高。
文档编号H03B5/04GK101764571SQ20091025325
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年12月11日
发明者周建松 申请人:美商威睿电通公司