一種恒溫晶振專用控溫芯片設計

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）

一種恒溫晶振專用控溫芯片設計

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）的電壓來實現對溫度的精確檢測。采用脈寬調制（PWM）技術控制功率管驅動加熱電阻對恒溫槽進行加熱，同時通過改進算法的PID環路控制，提高了控溫的精度。設計加快了從預熱到穩態的時間，降低了恒溫的功率，實現了對溫度的穩定控制。仿真結果表明，溫度檢測的靈敏度為12.925mV/℃。芯片流片，經過PID參數整定后，實驗測試表明預熱功率為3.05W，穩態功率為1.35W，控溫精度為±0.2℃。

恒溫晶體振蕩器；專用芯片；PID控制；PWM調制

1 引 言

石英晶體振蕩器作為電子設備的核心器件，一直向著高精度、高頻率溫度穩定性、小型化、低功耗方向發展［1］。恒溫晶體振蕩器（Oven Controlled Crystal Oscillator縮寫為OCXO）在頻率溫度穩定性、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計的恒溫晶振專用芯片來實現測溫和控溫，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計

設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定的恒溫點上，區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］。先預設一個恒溫槽的溫度值，然后將設定的溫度值和PTAT溫度傳感器輸出值的差值經過一個誤差放大器放大后送入PID補償網絡，最后經過一個PWM調制的輸出放大環節，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的熱量時，系統達到一個熱平衡狀態，從而達到控制溫度的目的，芯片的結構框圖如圖1所示。

圖1 OCXO結構框圖

2.1 帶隙基準設計

帶隙基準實現電路有很多種結構，目前常見的主要有Widlar帶隙結構、Brokaw帶隙結構以及Kujik帶隙結構。這三種帶隙基準雖然結構不同，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結壓降相加，實現與溫度無關的電壓基準。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，本設計采用了共源共柵電流鏡結構［4］。組成共源共柵電流鏡的PMOS管（M1～ M12）的寬長比都相同，Q2發射極的面積等于Q4發射極的面積，Q1發射極的面積等于Q3發射極的面積，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，進而保證節點P、N的電壓值相同。利用電流鏡M9、M10與Q5的BE結壓降相加，通過調整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℃），溫度系數為7.272ppm/℃。

圖2 帶隙基準及感溫電路結構圖

為了實現測溫，在帶隙基準的基礎上，加入M11、M12和R3組成的PTAT電壓產生電路。通過M11、M12將PTAT電流鏡像出來，經過R3將PTAT電流轉換成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的設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℃）對應的輸出電壓為2.575725V。

2.2 PID補償網絡設計

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控制一般分為數字PID和模擬PID［5］，數字PID一般需要單片機處理數字信號，算法復雜且增加了器件數量不利于小型化，所以本設計采用的是模擬PID的補償網絡。溫控芯片外部的PID補償網絡設計的好壞直接影響到系統的控溫效果，設計使用的補償網絡如圖4所示。

圖3 溫度傳感器的輸出電壓

傳統PID控制算法的傳遞函數可表示為：

其中Kp為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數［6］。增加Kp值可以減少控溫系統的穩態誤差，從而提高控制精度，并且可以縮短上升時間，但是太大時系統的穩定性會降低，甚至有可能產生振蕩。調整Ti可以消除或減弱穩態誤差，從而提高控溫系統的穩態性，但是積分器的調節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值上，但若Td過大反而使系統工作不穩定，甚至產生振蕩。

傳統PID算法的缺點是它的微分部分有不穩定趨勢。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固有噪聲中有高頻分量時會影響微分信號，甚至使電路產生振蕩。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學表式為：

圖4 PID控制網絡

T為慣性環節的時間常數，這樣可以改善微分部分的穩定性，抑制高頻噪聲。如圖4的PID補償網絡前饋部分的阻抗為：

反饋部分的阻抗為：

整個控制器的傳遞函數為：

為了提高系統穩定性，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。根據PID參數整定方法［8］，整定后PID的參數為R1＝2.4M，R2＝1M，R3＝10M，C1＝82pF，C2＝330pF，C3＝10uF。

3 電路仿真結果

設置負載加熱電阻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時溫度預熱和穩態時能提供的功率以及控溫效果，預設要達到恒溫槽的恒溫點為85℃，如圖5所示。在室溫時，經過計算初始的預熱功率為3.721W。當恒溫槽的溫度等于設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。結果如圖8所示，從啟動預熱開始到達設定恒溫點85℃時大約需要11－13分鐘，預熱功率為3.05W。當溫度穩定之后，穩態功率為1.35W，溫度波動為±0.2℃。相比同類電路［7］十幾分鐘的預熱時間，有更低的功耗和更快的加熱速度。

圖5 預熱時的仿真波形

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，所以預熱功率和穩態功率都比仿真結果要小。

圖7 芯片測試的實物圖

5 結束語

所設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補償網絡使控溫效果更加穩定，提高控溫精度。測試結果表明，恒溫槽從室溫開始加熱，到達設定恒溫點85℃時大約需要11－13分鐘，預熱功率為3.05W，溫度在恒溫點處穩定后，穩態功率為1.35W，溫度波動為±0.2℃。本設計相比其他的控溫電路實現了更高的加熱速度，控溫精度，并降低了功率，同時實現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展趨勢研究［J］.價值工程，2013（5）：295－296.

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［4］ 程剛，白忠臣，王超.一種高電源抑制比的CMOS帶隙基準電壓源設計［J］.電子設計工程，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.

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［8］ 段力學.PID參數整定方法分類與概述［J］.現代計算機，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，吉林省農安縣人，工程師，主研方向：集成電路工程。

2014－09－18