振蕩裝置的製作方法

2023-04-23 15:38:07

本發明涉及一種振蕩裝置，對振子例如晶體振子所放置的溫度進行檢測，並基於溫度檢測結果進行輸出頻率的穩定化。

背景技術：

作為例如使用了晶體振子的振蕩裝置，具恆溫槽的振蕩裝置即恆溫晶體振蕩器(Oven Controlled Xtal Oscillator，OCXO)構成為如下，即，利用加熱器將晶體振子所放置的環境加熱到固定的溫度，由此，晶體振子的溫度不會被外部的溫度變化所影響。而且，作為以加熱器的溫度控制的高精度化為目標的技術，已知有如下方法，即，使用兩個晶體振子作為溫度傳感器，求出與利用兩個晶體振子的頻率差計算出的溫度檢測值相當的信號值，並基於該信號值控制加熱器的輸出電力(專利文獻1)。

另一方面，關于振蕩裝置的相對於溫度的頻率，在例如從基站向終端發送電波的系統中，不僅對基站，對中繼站也要求更高的穩定性。專利文獻2中記載了使用電壓調節器來驅動溫度補償型晶體振蕩器1，但關於本發明的構成未作記載。

背景技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本專利特開2013-51676號

專利文獻2：日本專利特開2000-261248號

技術實現要素：

發明所要解決的問題

本發明於所述情況下完成，其目的在於提供如下技術，即，在使用加熱器電路實現振子所放置的環境的溫度穩定化的振蕩裝置中，能夠使加熱器電路的發熱量穩定化而輸出穩定的振蕩頻率。

解決問題的技術手段

本發明的振蕩裝置包括：連接于振子的振蕩電路，以及用以將所述振子所放置的環境的溫度加以固定化的加熱器電路，所述振蕩裝置的特徵在於包括：

第一基板，在第一容器內以從該第一容器的內壁浮起的狀態由第一支撐構件支撐；

溫度檢測部，用以檢測所述第一容器內的溫度，所述加熱器電路利用所述溫度檢測部的溫度檢測值控制供給電力，所述振子、所述振蕩電路、所述溫度檢測部與所述加熱器電路分別設置於該第一基板；

第二容器，將所述第一容器收容於所述第二容器的內部空間，並且以從所述第二容器的內壁浮起的狀態經由支撐部而支撐；

電壓穩定化電路，在所述第二容器內與所述第一容器隔開而設置，用以使供給到所述加熱器電路的電源電壓穩定化。

發明的效果

本發明在恆溫晶體振蕩器(OCXO)中，在第一容器內設置振子、振蕩電路、溫度檢測部及加熱器電路，所述第一容器在第二容器內以浮起的狀態受到支撐，並且將用以使供給到加熱器電路的電源電壓穩定化的電壓穩定化電路，在第二容器內與所述第一容器隔開而設置。因此，因供給到加熱器電路的電壓穩定化，且電壓穩定化電路不易受到加熱器電路的發熱的影響，所以結果為，獲得無論環境溫度如何均穩定的振蕩頻率的輸出。

附圖說明

圖1是表示本發明的振蕩裝置的整體構成的框圖。

圖2是表示所述振蕩裝置的一部分電路的詳情的框圖。

圖3是示意性地表示周邊設備的溫度變化與振蕩裝置的振蕩頻率的變動率的關係的頻率特性圖。

圖4是表示振蕩裝置的構成的縱剖側視圖。

圖5是表示所述振蕩裝置的主要部分的俯視概略圖。

圖6是表示本發明的振蕩裝置與作為比較例的振蕩裝置的實驗結果的曲線圖。

具體實施方式

圖1是表示本發明的實施方式的振蕩裝置1A的整體的框圖。振蕩裝置1A中包含：第一晶體振子10、第二晶體振子20、以及使這些晶體振子振蕩的第一振蕩電路1、第二振蕩電路2。第一振蕩電路1、第二振蕩電路2例如包含考畢茲(Colpitts)型振蕩電路。

在第一振蕩電路1、第二振蕩電路2的後段側，設置著鎖相迴路(Phase Locked Loop，PLL)電路部200及數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DSP)區塊5。PLL電路部200在圖1中簡略記述為區塊，包括：如圖2所示的具備直接數字合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)201的電路。DDS 201的動作時鐘使用從第一振蕩電路1輸出的振蕩輸出。與輸入到DDS 201的設定頻率對應的數字值為從後述的加法部58輸出的值。

從DDS 201輸出的頻率信號被輸入到相位比較器202的一輸入端。從後述的電壓控制振蕩器205輸出的頻率信號，經分頻器206分頻後，輸入到相位比較器202的另一輸入端。相位比較器202檢測兩者的頻率信號的相位的差分，並輸入到電荷泵(charge pump)203。來自電荷泵203的輸出利用迴路濾波器(loop filter)204而積分，其積分值作為控制電壓而輸入到電壓控制振蕩器205。也就是，PLL電路部200利用DDS 201生成作為參考頻率的頻率信號，使用該基準的頻率信號構成PLL。

DSP區塊5包含：溫度檢測部53、PI運算部54、脈衝調製(Pulse with Modulation，PWM)部55、1次修正部56(first order correction unit)、9次修正部57(ninth-order correction unit)及加法部58。溫度檢測部53運算數字值ΔF，該數字值ΔF與來自第一振蕩電路1的振蕩輸出f1及來自第二振蕩電路2的振蕩輸出f2的差分(f1-f2)對應。ΔF為與第一晶體振子10及第二晶體振子20所放置的環境的溫度對應的值，因而，ΔF能夠稱作溫度檢測值。在溫度檢測部53的後段，雖未圖示，但設置著對溫度檢測值ΔF偏離設定溫度何種程度進行運算的電路，該電路例如求出溫度檢測值與設定溫度的差分。PI運算部54將該差分值進行比例積分(proportional integral，PT)(微分、積分)而輸入到PWM部55。PWM部55用來將從PI運算部54輸出的數字值轉換為模擬信號。因此，也可代替PWM部55而使用D/A(數字/模擬)部。

在PWM部55的後段設置著加熱器電路50，加熱器電路50的輸出利用PWM部55的輸出而控制。加熱器電路50如後述那樣設置在第一晶體振子10及第二晶體振子20的附近。加熱器電路50具備功率電晶體(power transistor)，將電壓從電壓穩定化電路6供給到功率電晶體的集電極。而且，利用來自PWM部55的控制電壓對功率電晶體的基極電壓進行控制，而調整功率電晶體的供給電力。因此，PI運算部54的輸出能夠稱作：用以控制加熱器電路50的控制信號。

而且，作為PI運算部54的輸出的數字值，是相應於第一晶體振子10、第二晶體振子20的振蕩頻率的變化而變化，因而，也是與第一晶體振子10、第二晶體振子20所放置的環境的溫度對應的值。因此，使PI運算部54的輸出被輸入到1次修正部56，在一次修正部56中，對PI運算值乘以係數，將該相乘值作為後述的頻率設定值的修正值。

另一方面，由溫度檢測部53獲得的已述的ΔF被輸入到9次修正部57。9次修正部57中，基於溫度檢測值ΔF並根據9次的溫度特性曲線，而算出對於頻率設定值的頻率修正值。該頻率修正值用以對DDS 201的動作時鐘的頻率因溫度而變化的變動量進行補償。該例中，將第一晶體振子10中的頻率與溫度的關係利用9次函數取得近似。此處，圖1中，由符號7表示的部位為寄存器(register)。將從外部存儲器82讀取的頻率設定值作為數字值而寫入到該寄存器7中，該頻率設定值被輸出到加法部58。加法部58中，對該頻率設定值加上來自9次修正部57的修正值與來自1次修正部56的修正值。

利用來自9次修正部57的修正值，對第一晶體振子10的振蕩頻率修正與溫度變動對應的變化量。然而，關於PLL電路部200或DDS 201等的周邊設備的特性也會因溫度而改變，因而，僅利用來自9次修正部57的修正值，無法高精度地進行從電壓控制振蕩器205獲得的振蕩頻率的溫度補償。因此，為了補償周邊設備的特性因溫度而變化的量，利用加法部58將由1次修正部56獲得的修正值與頻率設定值相加。

圖3是概略地表示由1次修正部56進行的設定頻率的修正的比例的曲線圖，是縱軸表示電壓控制振蕩器205的輸出頻率的變動率、橫軸表示外部氣體溫度的曲線圖。虛線a表示由周邊設備的特性因溫度而變化所引起的電壓控制振蕩器205的輸出頻率的變動率(將基準溫度下的輸出頻率與此時的溫度下的輸出頻率的差分，除以基準溫度下的輸出頻率所得的值)。點劃線b表示從一次修正部56輸出與外部氣體溫度對應的頻率修正值時的、電壓控制振蕩器205的輸出頻率的變動率。根據該曲線圖可知，虛線a與點劃線b相抵消，即便周邊設備的特性因溫度而變化，電壓控制振蕩器205的輸出頻率也穩定。

這樣，來自加法部58的輸出值最終為頻率設定值，決定PLL電路部200的PLL中的參考頻率。DSP區塊5、PLL電路部200、寄存器7及分頻器206形成於一個集成電路部(大規模集成電路(Large Scale Integration，LSI))300內。而且，外部存儲器82中存儲著用以使振蕩裝置1A動作的各參數，例如在振蕩裝置1A的電源啟動時將該參數讀取到振蕩裝置1A內的寄存器7內。

如上所述，作為恆溫晶體振蕩器(OCXO)的振蕩裝置1A構成為如下裝置，即，即便作為溫度補償晶體振蕩器(Temperature Compensate X′tal Oscillator，TCXO)而構成，也能夠利用加熱器電路50的作用及基於溫度檢測值的頻率修正而進行雙重的溫度對應，且能夠高精度地使輸出穩定。

此外，振蕩裝置1A具備：含有低壓降穩壓器(low dropout regulator，LDO)的電壓穩定化電路6。來自外部的電源60的電壓經電壓穩定化電路6而穩定化，該穩定化的電壓被供給到LSI 300及加熱器電路50。

圖4是振蕩裝置1A整體的縱剖側視圖，圖5是振蕩裝置1A中的後述第一基板31的俯視概略圖。使用這些圖，對振蕩裝置1A的立體構成進行說明。

振蕩裝置1A具備：與外容器相當的例如方形的第二容器42。在第二容器42的內部，利用作為從第二容器42的底部向上方伸出的支撐部、即導電性的銷62，對第二基板32以浮起的狀態進行支撐。作為支撐部的導電性的銷63從第二基板32朝向上方伸出，利用導電性的銷63對與內容器相當的第一容器41進行支撐。也就是，第一容器41以從第二基板32浮起的狀態受到支撐。

在第一容器41的內部，利用作為從第一容器41的底部向上方伸出的支撐部、即導電性的銷64，對第一基板31以浮起的狀態進行支撐。第一基板31中，如果將配置著第二基板32側的面的相反側的面稱作上表面(一面)，則在第一基板31的中央部的上表面側(一面側)及下表面側(另一面側)分別設置著第一晶體振子10及第二晶體振子20。在第一基板31的上表面側，進而將多個加熱器電路50以包圍第一晶體振子10的方式設置於銷64群組的內側，在比加熱器電路50的群組靠外側處設置著第三晶體振子100。第三晶體振子100為包含於電壓控制振蕩器205的晶體振子。

在第一基板31的下表面側，在比與加熱器電路50的群組對應的位置靠內側處設置著LSI 300。而且，在與對應於加熱器電路50的群組的位置隔開的位置，設置著迴路濾波器204及外部存儲器82。

而且，電壓穩定化電路6設置於第二基板32的下表面(與第一容器41相向的面的相反側的面)。

這種構成的振蕩裝置中，外部溫度作為與第一晶體振子10及第二晶體振子20的頻率差對應的值ΔF而被檢測，基於該ΔF對加熱器電路50的輸出電力進行控制，而將第一晶體振子10的溫度維持為設定溫度。而且，基於ΔF，對與PLL電路部200內的參考時鐘的頻率對應的設定值進行修正。此外，基於與加熱器電路部50的控制值相當的PI運算部54的輸出值，如所述那樣進一步對所述設定值進行修正。

而且，即便電源60的電源電壓發生變動，電壓也能夠利用電壓穩定化電路6而穩定化，經穩定化的電壓被供給到加熱器電路50、PLL電路部200或DSP區塊5。

所述實施方式中，作為恆溫晶體振蕩器(OCXO)的振蕩裝置1A中，在第一容器41內部設置著第一晶體振子10、第二晶體振子20、第一振蕩電路1、第二振蕩電路2、溫度檢測部53及加熱器電路50，該第一容器41在第二容器42內部以浮起狀態受到支撐，並且將用以使供給到加熱器電路50的電源電壓穩定化的電壓穩定化電路6，在第二容器42內部設置於與第一容器41隔開的位置。因此，供給到加熱器電路50的電壓穩定化。而且，因電壓穩定化電路6不易受到加熱器電路50的發熱的影響，所以結果為，能夠獲得無論振蕩裝置1A所放置的環境溫度如何均穩定的振蕩頻率的輸出。

所述實施方式中，經電壓穩定化電路6穩定化的電壓被供給到加熱器電路50的群組及LSI 300的雙方，但也可使對加熱器電路50的群組進行電壓供給的電路與對LSI 300進行電壓供給的電路分開。該情況下，也可設為僅在將電壓供給到加熱器電路50的群組的電路設置電壓穩定化電路6的構成。

進而，所述實施方式中，為了將經穩定化的電壓供給到加熱器電路50的群組而使用電壓穩定化電路6，但也可代替電壓穩定化電路6而使用開關電源。

而且，第一晶體振子10及第二晶體振子20也可配置在設置於第一基板31的上表面側的共用的晶體振子收納用的容器內，或者，也可在共用的晶體振動片劃分區域，在各自的區域形成第一晶體振子10及第二晶體振子20。

所述實施方式中，通過使用多個晶體振子而測量頻率差來檢測溫度，但即便構成為使用熱敏電阻(thermistor)作為這些晶體振子的代替來檢測溫度，也可獲得相同的效果。

此外，本發明的振蕩裝置不限於圖1的電路構成，也可例如代替加法部58的後段的PLL電路部200，而使用電壓控制振蕩器。該情況下，加法部58的輸出被用作該電壓控制振蕩器的控制電壓。

圖6表示為了確認本發明的效果而進行的試驗的結果。圖1的電路中，將電壓控制振蕩器205的輸出頻率設定為20MHz，使電源電壓呈矩形狀以±1％變化。圖6中，縱軸表示電壓控制振蕩器205的輸出頻率的變動率，橫軸表示經過時間，為了容易理解，利用實線a重疊顯示電壓的推移。虛線b表示未設置電壓穩定化電路6的情況下的特性，點劃線c表示使用所述實施方式的情況下的特性。在未設置電壓穩定化電路6的情況下，頻率變動最大為±0.5ppb，所述實施方式中，頻率變動最大為±0.1ppb。因此，理解為根據所述實施方式而實現了輸出頻率的穩定化。

符號的說明

1A：振蕩裝置

1：第一振蕩電路

2：第二振蕩電路

10：第一晶體振子

20：第二晶體振子

5：DSP區塊

53：溫度檢測部

55：PWM部

56：一次修正部

50：加熱器電路

6：電壓穩定化電路

7：寄存器

82：外部存儲器

100：晶體振子(VCXO)

200：PLL電路部

300：集成電路部(LSI)

31：第一基板

32：第二基板

41：第一容器

42：第二容器