基于一种恒温晶振专用控温芯片设计方式分析

侯亚静，刘 倩

（河北远东通信系统工程有限公司，石家庄 050000）

1 引言

它属于一种晶体振荡器，其温度的稳定是应用恒温槽来保持，避免因为环境温度的波动导致振荡器输出频率产生变化。OCXO主要是由恒温控制电路及振荡器控制电路这两部分构成。目前的温度控制晶体振荡器其温度传感器由热敏电阻充当，然而其温度阻抗线性度比较差，对温度控制和检测工作形成一定的麻烦。本文中的控温电路的温度传感器主要是应用带隙基准PTAT电压来设计的，能够避免热敏组织带来的非线性误差和缺陷。除此之外，当前的应用主流都是利用分立元件来组成恒温晶振，比如热敏电阻电桥、放大器等来实现温度测量和温度控制，因此耗能及封装体积相对都比较大。本文主要介绍一种恒温晶振芯片，其设计原理采用的是集成电路的方法，控温和测温不但可以有效降低恒温晶振的分装体积、功耗，而且还能够让温度控制精度得到进一步的提升。

2 控温芯片的设计原理及主要功能

恒温晶振芯片设计其主要是为了测量恒温槽的温度，采用相应的方式将温度保持在设置好的恒温点，与一般的通过热敏电阻测温的方式有所不同。电阻会产生非线性误差，为了减少这种误差，一方面采用从带隙基准里面提取的PTAT电压来充当温度传感器的角色。利用负反馈输出对信号进行控制，当产生的误差超过一定范围时，控制器就会输出一个相应的控制信号，来使加热丝工作，产生热量来加热恒温槽，反之亦然。另外，当恒温槽的散热和加热丝产生的热量一致时，就达到热平衡的状态，系统温度就得到控制。

2.1 补偿网络PID的设计

为了达到提升加热速率与控温精度，很有必要设计PID补偿网络。利用PID惯量进行控制，尽可能避免温度在恒温点附近产生剧烈振荡。通常PID控制包括数字PID和模拟PID。由于数字PID一般情况下要由单片机来进行相应数字信号的处理，会增加所需设备数量和提高算法的复杂性，不利于系统结构的精简原则。故本文中的芯片设计采用的是模拟PID补偿网络。空文系统能否取得良好的效果与温度控制芯片的外部PID补偿网络设计密切相关，其微分部分具有不稳定的趋势正是传统的PID算法的缺陷。当电路处在高频率的范围之内时，系统中处于固有噪声中的高频噪声分量就会变得很小，从而对微分信号产生相关影响；除此之外还可能造成电路振荡，因此还应当加设一个极点在电路高频段。

2.2 带隙基准设计

带隙基准的实现电路包含有多种结构。如今常用的主要有Brokaw带隙结构、Kujik带隙结构与Widlar带隙结构。尽管三个带隙基准电压源具有不同的结构，但其工作原理是将PTAT电压乘以系数K，然后将电压降加到晶体管BE的结点以实现与温度无关的电压基准。要想实现减少控制温度系统的稳态误差就需要增加电路系统Kp值，以此使控制精度得到有效提高和增强，同时在另外一方面能够降低上升所用的时间，系统的精度和稳定性能指标也会由于Kp值太大而降低，甚至还可能造成电路的振荡。通过调整Ti值来消除或削弱稳态误差，就能大大提升控温系统的稳定性。另外积分器其调节作用相较误差信号变化相比往往落后，使得启动的时间增加。带隙基准电路通过增大Td值可以使被控量的波动振幅得到减少，从而让其能够快速地调回预定的数值上来。

3 电路仿真结果和测试结果分析

本次是仿真电源电压5V条件下，预热温度及稳态时所供应的控温功率及效果，预设恒温点为 84℃。在常温时，初始的预热功率通过计算为3.721W。而设定的恒温点等于恒温槽的温度时的输出功率为1.564W。当其在恒温点±0.8℃范围内波动时，其输出功率分别为1.586W和1.603W，功率变化值ΔP=0.037W，这就说明在恒温点附近每产生1℃的温度变化，功率就要变化0.037W。为了能够精确测试芯片对恒温槽的测温和控温实际结果，笔者将封装完成的恒温晶振专用芯片与相应的加热元器件准确地测试芯片对恒温槽控温及测温的实际效果，通过把相关加热器件和封装好的恒温晶振专用芯片焊接到PCB板上。随后用特定的管壳将PCB板采用真空封装，开展性能测试，通过芯片进行温度的测试以及加热电阻的控制来加热恒温槽。通过将实验测试与仿真结果进行比较发现它们之间有着细微的差距，其原因主要是仿真模拟的是直接接触空气环境的电路，而实际测试中，真空封装的恒温槽能显著降低热量的损耗从而到孩子预热及稳态功率要低于仿真结果。

4 结束语

上述芯片一方面可以有效避免在热敏电阻测温过程中所产生的非线性误差，从而提升测温的准确性和精度；另一方面利用PID补偿网络使控制精度和效果更加准确和稳定。通过测试发现，从室温开始加热，当恒温槽达到设定的85℃恒温点约11～13分钟，其预热的功率为2.95W，当温度保持在恒温点附近时稳态功率为1.2858W，大致在±0.2℃范围内波动。相较于其他控温电路，本文所述设计能有效提升加速速度和控温精度并且功耗更低，让恒槽温度控制电路的微型化成为可能。

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