[发明专利]低功率温度补偿晶体振荡器

说明书

本发明涉及晶体振荡器的温度补偿电路，特别是低功率温度补偿晶体振荡器。

带有一个确定频率的晶体的振荡器被广泛地用于提供一个稳定的频率输出。但是，这些振荡器使用的晶体具有温度敏感性，因此，通常需要温度补偿的装置以保持晶体稳定的输出频率。

目前使用的一种稳定晶体振荡器频率的方法是将振荡器置入恒温箱中，使晶体保持恒温。这需要很大的空间并消耗大量的能源。另一种方法包括产生一个温度致变电压并将其加到一个可变电压电容器(voltagevariable capacitor)(例如：变容二极管)以便控制晶体振荡器的共振频率。

在许多振荡器中，一种AT切割晶体(AT cut crystal)被广泛地使用，它通常具有三次方的频率-温度特性函数，并在大约摄氏28度时有一个拐点。各个AT切割晶体的频率-温度特性函数根据晶体制造方法的不同而变化。因此，为了准确地补偿一个使用AT切割晶体的振荡器，加载到变容二极管两端的电压应随温度变化，这种变化应实质性地与使用的专门的晶体的变化相似。

包括特别是蜂窝移动电话和双向无线电话在内的现代通讯系统需要更小、更轻、工作时间(或电池寿命)更长的产品，一种便携式无线通讯产品的体积和重量主要决定于其电源或电池，为了减小电池的体积和重量，电路需要在低电压下运行，例如在大约2.7至3.3伏之间，使得总电流消耗最小。

小型温度补偿晶体振荡器(TCXOs)普遍使用频率-温度补偿电路，该电路产生一个随温度变化的电压，驱动一个电压致变电抗元件，以便获得所需的频率-温度特性。需要在变化的电压下运行TCXO，同时保持所需的温度补偿特性。

传统上，用于补偿的稳压电压源(regulated supply voltage)是通过使用一个简单的电路直接从电源获得的。因此，如果电源在4.5至5伏之间，则需要使用一个约4伏左右的稳压器。当使用减低的电压时，例如3伏的电池，对TCXO进行正确的补偿将是非常困难的，或者说几乎不可能，因为电路需要具有在一定范围内调节频率-温度特性的能力，而可调范围决定于可用于补偿的电源电压(例如：0-4伏)。

因此，使用低压电源，如3伏电池，驱动TCXO的温度补偿是对现有技术的一种改进，同时，通过使大部分电路在减低的电源电压下工作从而使实质上整个补偿电路的电流消耗最小也是一种改进。

此外，并非所有通讯系统都可改为低电压源，因此，TCXO设计应具有在高电压源下工作且不需要额外电流的能力。规模经济，特别是那些开发出用户集成电路的地方，要求一个单一设计能用于在一个扩展的电压范围内运行，或者能在3伏或5伏电池下运行。

下述方法也应看作对现有技术的改进：把一些元件，如一个可编程的DC至DC转换器电路用于一个TCXO，通过将电压提高到一个必需的电平以便驱动一个可变电抗装置而又使电流的增加最小，通过将电压只加到如电平转移器和可变电抗元件这样必需的电路以便控制TCXO，提供在扩展的电压范围内运行的能力。

提供一种低能耗和低电流的TCXO，它能通过调节适应大多数晶体振荡器，而且可以制造成集成电路(IC)形式，这也是对现有技术的一种改进。

图1是根据本发明的一个低功率温度补偿晶体振荡器的框图。

图2是根据本发明，如图1所示的可编程DC至DC转换器电路的更详细的框图。

图3是根据本发明的低功率温度补偿晶体振荡器的另一实施例。

图4是晶体的频率-电抗特性。

图5是与温度补偿晶体振荡器相关的频率-温度函数曲线。

在图1是一个低功率温度补偿晶体振荡器(TCXO)10。从其最简单的形式看，TCXO10包括如下结构。第一，它包括一个带有晶体的晶体振荡器电路12，输入端16和具有预定频率的输出端18。其次，电压控制电抗元件(VCRE)30，在图1中是第30号单元，用于向晶体振荡器电路12的输入端16提供一个可变电抗信号以便有选择地在预定温度范围内调节在端18的输出频率，如图5所示。VCRE30有第一端和第二端32和34。在一个最佳实施例中，VCRE30是一个变容二极管，第一端32是正极，第二端34是负极。第三，一个温度补偿网络(TCN)50被用来测量与晶体接近的温度，并向电压控制电抗元件30提供一个控制信号，以便在一个预定的温度范围内按照需要的范围调整输出频率(在端18)。如图1所示的是一个可编程DC至DC转换器电路(PDCCN)60，它包括一个包含参考电压的输出端62，该输出端至少与电压控制电抗元件30和温度补偿网络50之一相连接。