基于一種恒溫晶振專用控溫芯片設計方式分析

侯亞靜，劉 倩

（河北遠東通信系統工程有限公司，石家莊 050000）

1 引言

它屬于一種晶體振蕩器，其溫度的穩定是應用恒溫槽來保持，避免因為環境溫度的波動導致振蕩器輸出頻率產生變化。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，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用帶隙基準PTAT電壓來設計的，能夠避免熱敏組織帶來的非線性誤差和缺陷。除此之外，當前的應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、放大器等來實現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，其設計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一步的提升。

2 控溫芯片的設計原理及主要功能

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

2.1 補償網絡PID的設計

為了達到提升加熱速率與控溫精度，很有必要設計PID補償網絡。利用PID慣量進行控制，盡可能避免溫度在恒溫點附近產生劇烈振蕩。通常PID控制包括數字PID和模擬PID。由于數字PID一般情況下要由單片機來進行相應數字信號的處理，會增加所需設備數量和提高算法的復雜性，不利于系統結構的精簡原則。故本文中的芯片設計采用的是模擬PID補償網絡。空文系統能否取得良好的效果與溫度控制芯片的外部PID補償網絡設計密切相關，其微分部分具有不穩定的趨勢正是傳統的PID算法的缺陷。當電路處在高頻率的范圍之內時，系統中處于固有噪聲中的高頻噪聲分量就會變得很小，從而對微分信號產生相關影響；除此之外還可能造成電路振蕩，因此還應當加設一個極點在電路高頻段。

2.2 帶隙基準設計

帶隙基準的實現電路包含有多種結構。如今常用的主要有Brokaw帶隙結構、Kujik帶隙結構與Widlar帶隙結構。盡管三個帶隙基準電壓源具有不同的結構，但其工作原理是將PTAT電壓乘以系數K，然后將電壓降加到晶體管BE的結點以實現與溫度無關的電壓基準。要想實現減少控制溫度系統的穩態誤差就需要增加電路系統Kp值，以此使控制精度得到有效提高和增強，同時在另外一方面能夠降低上升所用的時間，系統的精度和穩定性能指標也會由于Kp值太大而降低，甚至還可能造成電路的振蕩。通過調整Ti值來消除或削弱穩態誤差，就能大大提升控溫系統的穩定性。另外積分器其調節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回預定的數值上來。

3 電路仿真結果和測試結果分析

本次是仿真電源電壓5V條件下，預熱溫度及穩態時所供應的控溫功率及效果，預設恒溫點為 84℃。在常溫時，初始的預熱功率通過計算為3.721W。而設定的恒溫點等于恒溫槽的溫度時的輸出功率為1.564W。當其在恒溫點±0.8℃范圍內波動時，其輸出功率分別為1.586W和1.603W，功率變化值ΔP=0.037W，這就說明在恒溫點附近每產生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際結果，筆者將封裝完成的恒溫晶振專用芯片與相應的加熱元器件準確地測試芯片對恒溫槽控溫及測溫的實際效果，通過把相關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。通過將實驗測試與仿真結果進行比較發現它們之間有著細微的差距，其原因主要是仿真模擬的是直接接觸空氣環境的電路，而實際測試中，真空封裝的恒溫槽能顯著降低熱量的損耗從而到孩子預熱及穩態功率要低于仿真結果。

4 結束語

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生的非線性誤差，從而提升測溫的準確性和精度；另一方面利用PID補償網絡使控制精度和效果更加準確和穩定。通過測試發現，從室溫開始加熱，當恒溫槽達到設定的85℃恒溫點約11～13分鐘，其預熱的功率為2.95W，當溫度保持在恒溫點附近時穩態功率為1.2858W，大致在±0.2℃范圍內波動。相較于其他控溫電路，本文所述設計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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