基于一種恒溫晶振專用控溫芯片設(shè)計(jì)方式分析

侯亞靜，劉 倩

（河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，石家莊 050000）

1 引言

它屬于一種晶體振蕩器，其溫度的穩(wěn)定是應(yīng)用恒溫槽來保持，避免因?yàn)榄h(huán)境溫度的波動導(dǎo)致振蕩器輸出頻率產(chǎn)生變化。OCXO主要是由恒溫控制電路及振蕩器控制電路這兩部分構(gòu)成。目前的溫度控制晶體振蕩器其溫度傳感器由熱敏電阻充當(dāng)，然而其溫度阻抗線性度比較差，對溫度控制和檢測工作形成一定的麻煩。本文中的控溫電路的溫度傳感器主要是應(yīng)用帶隙基準(zhǔn)PTAT電壓來設(shè)計(jì)的，能夠避免熱敏組織帶來的非線性誤差和缺陷。除此之外，當(dāng)前的應(yīng)用主流都是利用分立元件來組成恒溫晶振，比如熱敏電阻電橋、放大器等來實(shí)現(xiàn)溫度測量和溫度控制，因此耗能及封裝體積相對都比較大。本文主要介紹一種恒溫晶振芯片，其設(shè)計(jì)原理采用的是集成電路的方法，控溫和測溫不但可以有效降低恒溫晶振的分裝體積、功耗，而且還能夠讓溫度控制精度得到進(jìn)一步的提升。

2 控溫芯片的設(shè)計(jì)原理及主要功能

恒溫晶振芯片設(shè)計(jì)其主要是為了測量恒溫槽的溫度，采用相應(yīng)的方式將溫度保持在設(shè)置好的恒溫點(diǎn)，與一般的通過熱敏電阻測溫的方式有所不同。電阻會產(chǎn)生非線性誤差，為了減少這種誤差，一方面采用從帶隙基準(zhǔn)里面提取的PTAT電壓來充當(dāng)溫度傳感器的角色。利用負(fù)反饋輸出對信號進(jìn)行控制，當(dāng)產(chǎn)生的誤差超過一定范圍時，控制器就會輸出一個相應(yīng)的控制信號，來使加熱絲工作，產(chǎn)生熱量來加熱恒溫槽，反之亦然。另外，當(dāng)恒溫槽的散熱和加熱絲產(chǎn)生的熱量一致時，就達(dá)到熱平衡的狀態(tài)，系統(tǒng)溫度就得到控制。

2.1 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)PID的設(shè)計(jì)

為了達(dá)到提升加熱速率與控溫精度，很有必要設(shè)計(jì)PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。利用PID慣量進(jìn)行控制，盡可能避免溫度在恒溫點(diǎn)附近產(chǎn)生劇烈振蕩。通常PID控制包括數(shù)字PID和模擬PID。由于數(shù)字PID一般情況下要由單片機(jī)來進(jìn)行相應(yīng)數(shù)字信號的處理，會增加所需設(shè)備數(shù)量和提高算法的復(fù)雜性，不利于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的精簡原則。故本文中的芯片設(shè)計(jì)采用的是模擬PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。空文系統(tǒng)能否取得良好的效果與溫度控制芯片的外部PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)密切相關(guān)，其微分部分具有不穩(wěn)定的趨勢正是傳統(tǒng)的PID算法的缺陷。當(dāng)電路處在高頻率的范圍之內(nèi)時，系統(tǒng)中處于固有噪聲中的高頻噪聲分量就會變得很小，從而對微分信號產(chǎn)生相關(guān)影響；除此之外還可能造成電路振蕩，因此還應(yīng)當(dāng)加設(shè)一個極點(diǎn)在電路高頻段。

2.2 帶隙基準(zhǔn)設(shè)計(jì)

帶隙基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)電路包含有多種結(jié)構(gòu)。如今常用的主要有Brokaw帶隙結(jié)構(gòu)、Kujik帶隙結(jié)構(gòu)與Widlar帶隙結(jié)構(gòu)。盡管三個帶隙基準(zhǔn)電壓源具有不同的結(jié)構(gòu)，但其工作原理是將PTAT電壓乘以系數(shù)K，然后將電壓降加到晶體管BE的結(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)與溫度無關(guān)的電壓基準(zhǔn)。要想實(shí)現(xiàn)減少控制溫度系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差就需要增加電路系統(tǒng)Kp值，以此使控制精度得到有效提高和增強(qiáng)，同時在另外一方面能夠降低上升所用的時間，系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性能指標(biāo)也會由于Kp值太大而降低，甚至還可能造成電路的振蕩。通過調(diào)整Ti值來消除或削弱穩(wěn)態(tài)誤差，就能大大提升控溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外積分器其調(diào)節(jié)作用相較誤差信號變化相比往往落后，使得啟動的時間增加。帶隙基準(zhǔn)電路通過增大Td值可以使被控量的波動振幅得到減少，從而讓其能夠快速地調(diào)回預(yù)定的數(shù)值上來。

3 電路仿真結(jié)果和測試結(jié)果分析

本次是仿真電源電壓5V條件下，預(yù)熱溫度及穩(wěn)態(tài)時所供應(yīng)的控溫功率及效果，預(yù)設(shè)恒溫點(diǎn)為 84℃。在常溫時，初始的預(yù)熱功率通過計(jì)算為3.721W。而設(shè)定的恒溫點(diǎn)等于恒溫槽的溫度時的輸出功率為1.564W。當(dāng)其在恒溫點(diǎn)±0.8℃范圍內(nèi)波動時，其輸出功率分別為1.586W和1.603W，功率變化值ΔP=0.037W，這就說明在恒溫點(diǎn)附近每產(chǎn)生1℃的溫度變化，功率就要變化0.037W。為了能夠精確測試芯片對恒溫槽的測溫和控溫實(shí)際結(jié)果，筆者將封裝完成的恒溫晶振專用芯片與相應(yīng)的加熱元器件準(zhǔn)確地測試芯片對恒溫槽控溫及測溫的實(shí)際效果，通過把相關(guān)加熱器件和封裝好的恒溫晶振專用芯片焊接到PCB板上。隨后用特定的管殼將PCB板采用真空封裝，開展性能測試，通過芯片進(jìn)行溫度的測試以及加熱電阻的控制來加熱恒溫槽。通過將實(shí)驗(yàn)測試與仿真結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)它們之間有著細(xì)微的差距，其原因主要是仿真模擬的是直接接觸空氣環(huán)境的電路，而實(shí)際測試中，真空封裝的恒溫槽能顯著降低熱量的損耗從而到孩子預(yù)熱及穩(wěn)態(tài)功率要低于仿真結(jié)果。

4 結(jié)束語

上述芯片一方面可以有效避免在熱敏電阻測溫過程中所產(chǎn)生的非線性誤差，從而提升測溫的準(zhǔn)確性和精度；另一方面利用PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)使控制精度和效果更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。通過測試發(fā)現(xiàn)，從室溫開始加熱，當(dāng)恒溫槽達(dá)到設(shè)定的85℃恒溫點(diǎn)約11～13分鐘，其預(yù)熱的功率為2.95W，當(dāng)溫度保持在恒溫點(diǎn)附近時穩(wěn)態(tài)功率為1.2858W，大致在±0.2℃范圍內(nèi)波動。相較于其他控溫電路，本文所述設(shè)計(jì)能有效提升加速速度和控溫精度并且功耗更低，讓恒槽溫度控制電路的微型化成為可能。

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