高加亭，趙宏建

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

一種恒溫晶振專用控溫芯片設(shè)計

高加亭，趙宏建

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

設(shè)計了一種恒溫晶體振蕩器的專用控溫芯片。通過使用帶隙基準電路中與絕對溫度成正比（PTAT）的電壓來實現(xiàn)對溫度的精確檢測。采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)控制功率管驅(qū)動加熱電阻對恒溫槽進行加熱，同時通過改進算法的PID環(huán)路控制，提高了控溫的精度。設(shè)計加快了從預(yù)熱到穩(wěn)態(tài)的時間，降低了恒溫的功率，實現(xiàn)了對溫度的穩(wěn)定控制。仿真結(jié)果表明，溫度檢測的靈敏度為12.925mV/℃。芯片流片，經(jīng)過PID參數(shù)整定后，實驗測試表明預(yù)熱功率為3.05W，穩(wěn)態(tài)功率為1.35W，控溫精度為±0.2℃。

恒溫晶體振蕩器；專用芯片；PID控制；PWM調(diào)制

1 引 言

石英晶體振蕩器作為電子設(shè)備的核心器件，一直向著高精度、高頻率溫度穩(wěn)定性、小型化、低功耗方向發(fā)展［1］。恒溫晶體振蕩器（Oven Controlled Crystal Oscillator縮寫為OCXO）在頻率溫度穩(wěn)定性、相位噪聲、老化性等方面在所有類型的晶體振蕩器中是最好的，它是利用恒溫槽使晶體振蕩器中石英晶體諧振器的溫度保持恒定，將由周圍溫度變化引起的振蕩器輸出頻率變化量削減到最小的晶體振蕩器，OCXO是由恒溫槽溫度控制電路和振蕩器電路構(gòu)成的［2］。目前市場上的恒溫晶振普遍采用熱敏電阻作為溫度傳感器，但由于其溫度阻值的線性度較差，不利于溫度的檢測和控制。本文設(shè)計的控溫電路利用了帶隙基準中的PTAT電壓作為溫度傳感器，很好克服了熱敏電阻非線性的問題。此外由于目前的恒溫晶振采用熱敏電阻電橋和放大器等分立器件實現(xiàn)測溫控溫，使其功耗和封裝體積都很大，本文通過使用集成電路方式設(shè)計的恒溫晶振專用芯片來實現(xiàn)測溫和控溫，不僅可以達到減小恒溫晶振的功耗和封裝體積的目的，同時還提高了控溫精度。

2 恒溫晶振專用控溫芯片設(shè)計

設(shè)計的芯片功能主要是對恒溫槽的溫度進行檢測并將其控制在某一設(shè)定的恒溫點上，區(qū)別于一般采用熱敏電阻測溫的方式。為了避免電阻帶來的非線性誤差，設(shè)計中首先通過帶隙基準里提取出與絕對溫度成正比的PTAT電壓作為溫度傳感器［3］。先預(yù)設(shè)一個恒溫槽的溫度值，然后將設(shè)定的溫度值和PTAT溫度傳感器輸出值的差值經(jīng)過一個誤差放大器放大后送入PID補償網(wǎng)絡(luò)，最后經(jīng)過一個PWM調(diào)制的輸出放大環(huán)節(jié)，最終輸出一個控制信號。通過負反饋，當它們的誤差大時，控制器輸出一個大的控制信號作用在加熱絲上，使加熱絲對恒溫槽進行加熱，反之則減少控制信號。最終當加熱絲對恒溫槽加熱的熱量等于恒溫槽向外散發(fā)的熱量時，系統(tǒng)達到一個熱平衡狀態(tài)，從而達到控制溫度的目的，芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 OCXO結(jié)構(gòu)框圖

2.1 帶隙基準設(shè)計

帶隙基準實現(xiàn)電路有很多種結(jié)構(gòu)，目前常見的主要有Widlar帶隙結(jié)構(gòu)、Brokaw帶隙結(jié)構(gòu)以及Kujik帶隙結(jié)構(gòu)。這三種帶隙基準雖然結(jié)構(gòu)不同，但工作原理，通過電阻比例將PTAT電壓放大K倍再與晶體管BE結(jié)壓降相加，實現(xiàn)與溫度無關(guān)的電壓基準。一般帶隙基準采用的普通電流鏡受電源電壓影響較大，為了克服電源電壓變化的影響，本設(shè)計采用了共源共柵電流鏡結(jié)構(gòu)［4］。組成共源共柵電流鏡的PMOS管（M1～ M12）的寬長比都相同，Q2發(fā)射極的面積等于Q4發(fā)射極的面積，Q1發(fā)射極的面積等于Q3發(fā)射極的面積，且前兩者的面積是后兩者面積的8倍。其中運算放大器的作用是使電路回路處于深度負反饋，進而保證節(jié)點P、N的電壓值相同。利用電流鏡M9、M10與Q5的BE結(jié)壓降相加，通過調(diào)整R1、R2的阻值就可以得到帶隙基準電壓Vref。通過仿真，在5V電源電壓下帶隙基準Vref的輸出值范圍為1.206902（0℃）－1.20778（100℃），溫度系數(shù)為7.272ppm/℃。

圖2 帶隙基準及感溫電路結(jié)構(gòu)圖

為了實現(xiàn)測溫，在帶隙基準的基礎(chǔ)上，加入M11、M12和R3組成的PTAT電壓產(chǎn)生電路。通過M11、M12將PTAT電流鏡像出來，經(jīng)過R3將PTAT電流轉(zhuǎn)換成PTAT電壓，此電壓就作為溫度傳感器的輸出信號。同時用兩個雙極晶體管串聯(lián)的設(shè)計方案提高核心感溫電路輸出電壓VPTAT的溫度靈敏度（ΔVBE→2ΔVBE），同時降低運放失調(diào)對VPTAT的相對影響（VOS/ΔVBE→VOS/2ΔVBE）。通過仿真，VPTAT的輸出值范圍為1.4771V（0℃）～2.7696V（100℃），溫度靈敏度為12.925mV/℃，如圖3所示，恒溫點（85℃）對應(yīng)的輸出電壓為2.575725V。

2.2 PID補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

為了提高溫度控制的精度，減少溫度加熱的時間，需要加入PID控制，通過PID的慣性控制，保證溫度不會在恒溫點附近劇烈振蕩。PID控制一般分為數(shù)字PID和模擬PID［5］，數(shù)字PID一般需要單片機處理數(shù)字信號，算法復(fù)雜且增加了器件數(shù)量不利于小型化，所以本設(shè)計采用的是模擬PID的補償網(wǎng)絡(luò)。溫控芯片外部的PID補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的好壞直接影響到系統(tǒng)的控溫效果，設(shè)計使用的補償網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖3 溫度傳感器的輸出電壓

傳統(tǒng)PID控制算法的傳遞函數(shù)可表示為：

其中Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)［6］。增加Kp值可以減少控溫系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高控制精度，并且可以縮短上升時間，但是太大時系統(tǒng)的穩(wěn)定性會降低，甚至有可能產(chǎn)生振蕩。調(diào)整Ti可以消除或減弱穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高控溫系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性，但是積分器的調(diào)節(jié)作用總是落后于誤差信號的變化，從而使啟動時間變長。增大Td有助于減少被控量的波動振幅，使其迅速回到給定數(shù)值上，但若Td過大反而使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至產(chǎn)生振蕩。

傳統(tǒng)PID算法的缺點是它的微分部分有不穩(wěn)定趨勢。在電路處于高頻時，微分部分的增益較大［7］。因此當輸入信號中的高頻噪聲分量很小或者系統(tǒng)固有噪聲中有高頻分量時會影響微分信號，甚至使電路產(chǎn)生振蕩。所以需要在高頻段增加一個極點。PID控制算法改進之后的數(shù)學(xué)表式為：

圖4 PID控制網(wǎng)絡(luò)

T為慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，這樣可以改善微分部分的穩(wěn)定性，抑制高頻噪聲。如圖4的PID補償網(wǎng)絡(luò)前饋部分的阻抗為：

反饋部分的阻抗為：

整個控制器的傳遞函數(shù)為：

為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，在高頻率處再增加一個極點，可以再增加一個電容C2，該電容與R3、C3并聯(lián)。根據(jù)PID參數(shù)整定方法［8］，整定后PID的參數(shù)為R1＝2.4M，R2＝1M，R3＝10M，C1＝82pF，C2＝330pF，C3＝10uF。

3 電路仿真結(jié)果

設(shè)置負載加熱電阻RL為4Ω，濾波電感L為2μH，電容C為1mF。下面仿真的是在電源電壓為5V時溫度預(yù)熱和穩(wěn)態(tài)時能提供的功率以及控溫效果，預(yù)設(shè)要達到恒溫槽的恒溫點為85℃，如圖5所示。在室溫時，經(jīng)過計算初始的預(yù)熱功率為3.721W。當恒溫槽的溫度等于設(shè)定的恒溫點時仿真波形如圖6所示，此時的輸出功率為1.658W。當恒溫槽在恒溫點附近±1℃時，輸出功率分別為1.693W、1.624W，功率變化ΔP＝0.034W，即溫度在恒溫點附近變化1℃，功率變化0.034W。

4 測試結(jié)果與分析

為了測試芯片對恒溫槽測溫和控溫的效果，將封裝好的恒溫晶振專用芯片和相關(guān)加熱器件焊制在PCB板上，如圖7（a）所示。然后用選定的管殼將PCB板真空封裝起來進行性能測試，利用芯片測溫并控制加熱電阻對恒溫槽加熱。管殼的封裝尺寸為20mm×16mm×12mm，如圖7（b）所示。測試條件為：工作電壓VCC＝5V，從室溫開始加熱，每隔20秒對恒溫槽溫度進行一次檢測。結(jié)果如圖8所示，從啟動預(yù)熱開始到達設(shè)定恒溫點85℃時大約需要11－13分鐘，預(yù)熱功率為3.05W。當溫度穩(wěn)定之后，穩(wěn)態(tài)功率為1.35W，溫度波動為±0.2℃。相比同類電路［7］十幾分鐘的預(yù)熱時間，有更低的功耗和更快的加熱速度。

圖5 預(yù)熱時的仿真波形

圖6 恒溫時的仿真波形

實驗測試和仿真結(jié)果之間存在差距，原因在于仿真時模擬的是電路直接置于大氣環(huán)境下，而實際測試時，恒溫槽的真空封裝可以有效減少熱量耗散，所以預(yù)熱功率和穩(wěn)態(tài)功率都比仿真結(jié)果要小。

圖7 芯片測試的實物圖

5 結(jié)束語

所設(shè)計的恒溫晶體振蕩器專用控溫芯片采用PTAT電壓測溫，有效避免了熱敏電阻測溫帶來的非線性誤差，提高了測溫精度；通過PID補償網(wǎng)絡(luò)使控溫效果更加穩(wěn)定，提高控溫精度。測試結(jié)果表明，恒溫槽從室溫開始加熱，到達設(shè)定恒溫點85℃時大約需要11－13分鐘，預(yù)熱功率為3.05W，溫度在恒溫點處穩(wěn)定后，穩(wěn)態(tài)功率為1.35W，溫度波動為±0.2℃。本設(shè)計相比其他的控溫電路實現(xiàn)了更高的加熱速度，控溫精度，并降低了功率，同時實現(xiàn)了恒溫槽溫控電路的小型化。

圖8 溫度與時間曲線圖

［1］ 伍華林，呂延，呂明.石英晶體振蕩器的發(fā)展趨勢研究［J］.價值工程，2013（5）：295－296.

［2］ 趙聲衡.石英晶體振蕩器［M］.長沙：湖南大學(xué)出版社，1997：376－392.

［3］ 拉扎維.模擬CMOS集成電路設(shè)計［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2003：310－325.

［4］ 程剛，白忠臣，王超.一種高電源抑制比的CMOS帶隙基準電壓源設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2013，21（8）：134－137.

［5］ 王蕾，宋文忠.PID控制［J］.自動化儀表，2004，25（4）：1－5.

［6］ 金奇，鄧志杰.PID控制原理及參數(shù)整定方法［J］.重慶工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)），2008，22（5）：91－94.

［7］ 徐淑壹，黃顯核.恒溫晶振（OCXO）高精度溫度控制電路設(shè)計［C］.2006和諧開發(fā)中國西部聲學(xué)學(xué)術(shù)交流會論文集，2006.

［8］ 段力學(xué).PID參數(shù)整定方法分類與概述［J］.現(xiàn)代計算機，2012（3）：23－26.

Design on OCXO’s Specific Tem perature Control Chip

Gao Jiating，Zhao Hongjian
（The47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

A specific temperature control chip of OCXO is designed in this paper.The voltage of the bandgap reference circuitwhich is proportional to the absolute temperature（PTAT）is adopted to test the temperature accurately and the pulsewidthmodulation（PWM）is used to control power tube driving heat resistance for heating temperature chamber.At the same time the algorithm of PID loop control is improved to achieve the stability control of the temperature.The design accelerates the time from heating state to steady state，reduces steady power and improves temperature control precision.The simulation results show that the temperature sensitivity of the temperature detection is 12.925mV/℃.After chip taping out and the PID parameter setting，the experiment results show that heating power and steady power is 3.05W and 1.35W respectively，and the temperature control precision is±0.2℃.

OCXO；Specific chip；PID control；PWM modulation

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.05.002

TN752.2

A

1002－2279（2015）05－0004－05

高加亭（1982－），男，吉林省農(nóng)安縣人，工程師，主研方向：集成電路工程。

2014－09－18