DE10339865A1 - Temperaturstabiler Oszillator auf der Basis akustischer Oberflächenwellen - Google Patents

Temperaturstabiler Oszillator auf der Basis akustischer Oberflächenwellen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet Elektrotechnik/Elektronik und betrifft einen temperaturstabilen Oszillator auf der Basis akustischer Oberflächenwellen. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Oszillatoren mit akustischen Oberflächenwellenbauelementen der bekannten Art so zu verändern, dass die Phasensteilheit der frequenzbestimmenden Elemente bei vorgegebener Substratlänge und demzufolge die Stabilitägt der Oszillatoren erhöht wird und die frequenzbestimmenden Elemente schmalbandig sind. DOLLAR A Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass DOLLAR A c) die frequenzbestimmenden Elemente akustische Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) sind, bei denen die zwei interdigitalen Wandler (23; 24 bzw. 33; 34) zwischen je zwei Reflektoren (21; 22 bzw. 31; 32) angeordnet sind, DOLLAR A d) die Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) sich durch die Apertur (26; 36) und den Zwischenraum (25; 35) zwischen den interdigitalen Wandlern (23; 24 bzw. 33; 34) unterscheiden, wobei die Aperturen (26; 36), die Zwischenräume (25; 35) zwischen den interdigitalen Wandlern (23; 24 bzw. 33; 34) und die Synchronwellenlängen in den Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) so gewählt sind, dass die Oszillatorfrequenz bei einer vorgegebenen Temperatur einer vorgegebenen Frequenz entspricht. DOLLAR A Der Oszillator ist beispielsweise einsetzbar zur Signalverarbeitung mit Frequenzumsetzung als Frequenz- und Zeitnormal oder als Sensor.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet Elektrotechnik/Elektronik und betrifft einen temperaturstabilen Oszillator auf der Basis akustischer Oberflächenwellen. Der Oszillator ist beispielsweise einsetzbar zur Signalverarbeitung mit Frequenzumsetzung, als Frequenz- und Zeitnormal oder als Sensor.
  • Es sind Oszillatoren bekannt, die einen Verbund aus zwei frequenzbestimmenden Elementen, von denen jedes Element zwei interdigitale Wandler für akustische Oberflächenwellen enthalten, wobei jeweils ein interdigitaler Wandler des ersten und ein interdigitaler Wandler des jeweils zweiten frequenzbestimmenden Elements parallel geschaltet sind, und eine einen Verstärker enthaltene Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang des Verbundes umfasst, wobei die frequenzbestimmenden Elemente sich durch die Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz voneinander unterscheiden.
  • Bei einer speziellen Ausführung enthält der Verbund aus zwei frequenzbestimmenden Elementen zwei Verzögerungsleitungen, deren Substrate ein und demselben Kristallschnitt angehören, aber verschiedene Ausbreitungsrichungen benutzen (T. I. Browning and M. F. Lewis, „A novel technique for improving the temperature stability of SAW/SSBW devices" in Proc. 1978 IEEE Ultrasonics Symposium, S. 474–477 [1]). Als Kristallschnitt dient der ST-Schnitt von Quarz. Das Substrat der Hauptverzögerungsleitung hat die X-Achse von Quarz als Ausbreitungsrichtung, während die Ausbreitungsrichtung der Hilfsverzögerungsleitung um 41° dazu geneigt ist. Demzufolge verschwindet bei der Hauptverzögerungsleitung der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster Ordnung. Dagegen ist der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster Ordnung der Hilfsverzögerungsleitung ungleich null. Trotz der unterschiedlichen Ordnungen der Temperaturkoeffizienten gelingt es, den Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz zweiter Ordnung der Hauptverzögerungsleitung zu kompensieren. Der zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz zweiter Ordnung der Hauptverzögerungsleitung erforderliche Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster Ordnung der Hilfsverzögerungsleitung wird als Funktion des zu kompensierenden Temperaturkoeffizienten zweiter Ordnung, der Amplitude der Hilfsverzögerungsleitung und der für beide Verzögerungsleitungen gleichen Ausbreitungsstrecke angegeben. In Betracht gezogen wird auch die Druckschrift „A differential measurement SAW device for passive remote sensoring" von W. Buff, M. Rusko, T. Vandahl, M. Goroll und F. Möller in Proc. 1996 IEEE Ultrasonics Symposium, S. 343–346 [2]. In dieser Arbeit handelt es sich um fernabfragbare Sensoren, die Eintorresonatoren auf der Basis akustischer Oberflächenwellen enthalten. U. a. wird vorgeschlagen, zur Temperaturkompensation zwei Eintorresonatoren zu kombinieren, deren Substrate verschiedene Ausbreitungsrichtungen ein und desselben Kristallschnitts repräsentieren. Voraussetzung für die Temperaturkompensation ist, dass diese Ausbreitungsrichtungen unterschiedliche Phasengeschwindigkeiten und nahezu gleiche Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz haben.
  • Die in der Druckschrift [1] beschriebene Lösung hat den Nachteil, dass Verzögerungsleitungen bei vorgegebener Substratlänge eine zu kleine Phasensteilheit haben können, was eine ungenügende Stabilität der Oszillatoren zur Folge hat. Außerdem ist die Methode der Temperaturkompensation aus [1] nur für breitbandige frequenzbestimmende Elemente anwendbar. Andererseits ist das in [1] verwendete Modell zur Beschreibung des Verbundes zweier Verzögerungsleitungen eine Näherung für den Fall, dass die Eingangs- bzw. Ausgangsimpedanz des Verbundes der Verzögerungsleitungen sehr groß im Vergleich mit dem Quell- bzw. Lastwiderstand ist und alle Wandler reflexionsfrei sind. Die mit Hilfe dieses Modells gewonnene Lehre, beispielsweise die oben erwähnte Funktion für den Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz erster Ordnung der Hilfsverzögerungsleitung ist deshalb in vielen Fällen nicht anwendbar und nicht auf solche frequenzbestimmende Elemente übertragbar, bei denen Reflexionen eine wesentliche Rolle spielen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, temperaturstabile Oszillatoren mit akustischen Oberflächenwellenbauelementen als frequenzbestimmende Elemente der bekannten Art so zu verändern, dass die Phasensteilheit der frequenzbestimmenden Elemente bei vorgegebener Substratlänge und demzufolge die Stabilität der Oszillatoren erhöht wird und die frequenzbestimmenden Elemente schmalbandig sind. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine Lehre für die Gestaltung temperaturstabiler Oszillatoren anzugeben, die nicht auf einer Näherung wie in der Druckschrift [1] basiert.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass
    • a) die frequenzbestimmenden Elemente akustische Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren sind, bei denen die zwei interdigitalen Wandler zwischen je zwei Reflektoren angeordnet sind,
    • b) die Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren sich durch die Apertur und den Zwischenraum zwischen den interdigitalen Wandlern unterscheiden, wobei die Aperturen, die Zwischenräume zwischen den interdigitalen Wandlern und die Synchronwellenlängen in den Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren so gewählt sind, dass die Oszillatorfrequenz bei einer vorgegebenen Temperatur einer vorgegebenen Frequenz entspricht.
  • Die Erfindung kann wie folgt zweckmäßig ausgestaltet sein.
  • Die Kristallarten, die Kristallschnitte sowie die Ausbreitungsrichtungen der Resonatoren für akustische Oberflächenwellen können so gewählt sein, dass die Temperaturabhängigkeiten f1(T) und f2(T) der Synchronfrequenz f1 bzw. f2 des ersten bzw. zweiten Resonators die Gleichung V(f1(T), f2(T)) = –(∂φ/∂f2)/(∂φ/∂f1)erfüllt,
    mit
    Figure 00040001
    oder V = [(f1,max – f1,min)/ΔT1]/[(f2,max – f2,min)/ΔT2]und mit ΔT1,2 = T1,2,max – T1,2,min,wobei φ die Phase des Verbundes der Zweitor-Oberflächenwellenresonatoresonatoren, f1,2,max die im betrachteten Temperaturbereich maximale Synchronfrequenz des ersten beziehungsweise zweiten Zweitor-Oberflächenwellenresonators, f1,2,min die im betrachteten Temperaturbereich minimale Synchronfrequenz des ersten bzw. zweiten Zweitor-Oberflächenwellenresonators und T1,2,max und T1,2,min diejenigen Temperaturen sind, bei denen die entsprechenden Extremwerte der Synchronfrequenzen auftreten und T1 eine Temperatur im betrachteten Temperaturbereich ist.
  • Zwischen den interdigitalen Wandlern wenigstens eines Resonators kann ein Zwischenreflektor angeordnet sein.
  • Die Substrate beider Resonatoren können aus der gleichen Kristallart bestehen. Dabei können sie dem gleichen Kristallschnitt angehören und die unterschiedlichen Temperaturabhängigkeiten der Synchronfrequenzen der Resonatoren durch unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen auf dem Kristallschnitt eingestellt sein. Eine zweckmäßige Ausgestaltung diese Merkmals besteht darin, dass beide Resonatoren auf ein und demselben Substrat angeordnet und die Wandlerzinken und Reflektorstreifen des zweiten Reflektors in Bezug auf die Wandlerzinken und Reflektorstreifen des ersten Reflektors geneigt sind.
  • Einer der interdigitalen Wandler kann sich durch seine Polarität von den übrigen unterscheiden.
  • Besonders zweckmäßig ist es, wenn in beiden Resonatoren der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz gleicher Ordnung dominiert. Dabei kann der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster oder zweiter Ordnung dominieren.
  • Außerdem ist es besonders zweckmäßig, wenn die Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren ähnliche Temperaturabhängigkeiten der Synchronfrequenz haben, wobei die Ähnlichkeit darin besteht, dass die Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz des einen Zweitor-Oberflächenwellenresonators durch Multiplikation mit einem konstanten Faktor der Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz des jeweils anderen Zweitor-Oberflächenwellenresonators so angenähert werden kann, dass die Differenz der Temperaturabhängigkeiten der Synchronfrequenz im gesamten betrachteten Temperaturbereich wesentlich kleiner ist als diese Temperaturabhängigkeit jeder der beiden Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren.
  • Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Synchronwellenlängen in den Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren so gewählt sind, dass die Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren trotz unterschiedlicher Phasengeschwindigkeiten die gleiche Resonanzfrequenz haben.
  • Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert.
  • Der zu beschreibende Oszillator besteht aus einem Resonatorverbund als frequenzbestimmendes Element und einer in der Zeichnung nicht dargestellten Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang des Verbundes, die einen Verstärker enthält. Die Phase dieser Rückkopplung wird als gleich null vorausgesetzt. Im folgenden werden die Eigenschaften des Resonatorverbundes beschrieben.
  • Auf einem Substrat 1, das ein ST-Schnitt von Quarz ist, sind zwei Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren 2;3, zusammengesetzt aus Reflektoren 21;22 und interdigitalen Wandlern 23;24 bzw. aus Reflektoren 31;32 und interdigitalen Wandlern 33;34, angeordnet. Die Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren 2;3 bilden einen Resonatorverbund. Die Ausbreitungsrichtung des Zweitorresonators 2, d. h. die Richtung senkrecht zu den Zinken der Wandler 23;24 und den Streifen der Reflektoren 21;22, ist parallel zur kristallografischen x-Achse von Quarz ausgerichtet. Deshalb hat die Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 2 einen Verlauf, bei dem der parabolische Anteil dominiert. Die Ausbreitungsrichtung des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 3, d. h. die Richtung senkrecht zu den Zinken der Wandler 33;34 und den Streifen der Reflektoren 31;32, ist um den Winkel α gegenüber der kristallografischen x-Achse von Quarz geneigt. Beim Verlauf der Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 3 dominiert ebenfalls der parabolische Anteil. Der Wandler 23 des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 2 und der Wandler 33 des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 3 sind über die elektrischen Verbindungen 6;7 parallel geschaltet, während der Wandler 24 des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 2 und der Wandler 34 des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 3 über die elektrischen Verbindungen 4; 5 parallel geschaltet sind. Der Abstand der Mitten benachbarter Zinken und der Abstand der Mitten benachbarter Reflektorstreifen, entsprechend der Hälfte der Synchronwellenlänge, in den Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren 2;3 sind so gewählt, dass jeweils eine Resonanzfrequenz beider Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren 2;3 bei der gleichen Frequenz liegt. Die Parallelschaltung der Wandler 24;34 bzw. 23;33 bildet den Eingang 8 bzw. Ausgang 9 des Resonatorverbundes Der Zwischenraum 35 zwischen den Wandlern 33 und 34 des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 3 ist größer als der Zwischenraum 25 zwischen den Wandlern 23 und 24 des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 2 und die Apertur 36 der Wandler 33 und 34 des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 3 ist kleiner als die Apertur 26 der Wandler 23 und 24 des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 2.
  • Bei der Bestimmung der Parameter der Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren 2;3 werden zunächst der Zwischenraum 25, die Apertur 26 und die Synchronfrequenz des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 2 sowie der Zwischenraum 35 und die Synchronfrequenz des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 3 gesetzt. Aus der Forderung, dass die Phase des Resonatorverbundes gleich null sein soll, wird mit Hilfe eines Nullstellensuchprogramms die Apertur 36 bestimmt. Unter Benutzung aller dieser Größen wird über die Forderung, dass die Ableitung der Oszillatorfrequenz nach der Temperatur bei einer vorgegebenen Temperatur verschwinden soll, das Verhältnis V der Temperaturableitungen der Synchronfrequenz der Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren 2;3 aus dem Verhältnis der Ableitungen der Phase des Resonatorverbundes nach der Synchronfrequenz des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 2 bzw. 3 nach der Gleichung
    Figure 00080001
    berechnet, wobei f1, f2 die Synchronfrequenz des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 2 bzw. 3 und T1 eine vorgegebene Temperatur ist.
  • Wenn das Verhältnis V nicht mit dem Verhältnis V0 übereinstimmt, so wird mindestens eine der Größen Zwischenraum 25, Apertur 26, Synchronfrequenz des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 2, Zwischenraum 35 und Synchronfrequenz des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 3 variiert und anschließend die Apertur 36 neu bestimmt. Dabei ist V0 das Verhältnis der Ableitungen der als experimentelle oder berechnete Daten vorliegenden Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz für die Ausbreitungsrichtungen der Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren 2;3. Dieses Verfahren wird solange wiederholt, bis Übereinstimmung des Verhältnisses V mit dem Verhältnis V0 innerhalb eines vorgegebenen Fehlerbereichs erreicht ist. Als Ergebnis dieses Verfahrens sind alle Parameter bekannt, damit die Oszillatorfrequenz weniger temperaturabhängig ist, wenn der Resonatorverbund an Stelle eines Zweitorresonators auf der Basis akustischer Oberflächenwellen als frequenzbestimmendes Element eines Oszillators verwendet wird.
    •

Claims (13)

  1. Temperaturstabiler Oszillator auf der Basis akustischer Oberflächenwellen, bestehend aus einem Verbund von zwei frequenzbestimmenden Elementen, wobei jedes Element zwei interdigitale Wandler (23;24 bzw. 33;34) für akustische Oberflächenwellen enthält, wobei die interdigitalen Wandler der Elemente mit jeweils einem der interdigitalen Wandler des anderen Elements in Parallelschaltung verbunden sind, und wobei eine einen Verstärker enthaltende Rückkopplung vom Ausgang (9) zum Eingang (8) des Verbundes geschaltet ist, und wobei die frequenzbestimmenden Elemente sich durch die Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz voneinander unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass a) die frequenzbestimmenden Elemente akustische Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3) sind, bei denen jeweils zwei interdigitale Wandler (23;24 bzw. 33;34) zwischen zwei Reflektoren (21;22 bzw. 31;32) angeordnet sind, b) die Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3) sich durch die Apertur (26;36) und den Zwischenraum (25;35) zwischen den interdigitalen Wandlern (23;24 bzw. 33;34) unterscheiden, wobei die Aperturen, (26;36), die Zwischenräume (25;35) zwischen den interdigitalen Wandlern (23;24 bzw. 33;34) und die Synchronwellenlängen in den Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3) so gewählt sind, dass die Oszillatorfrequenz bei einer vorgegebenen Temperatur einer vorgegebenen Frequenz entspricht.
  2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallarten, die Kristallschnitte sowie die Ausbreitungsrichtungen der Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3) für akustische Oberflächenwellen so gewählt sind, dass die Temperaturabhängigkeiten f1(T) und f2(T) der Synchronfrequenz f1 bzw. f2 des ersten beziehungsweise zweiten Zweitor-Oberflächenwellen-resonators (2;3) die Gleichung V(f1(T), f2(T)) = –(∂φ/∂f2)/(∂φ/∂f1)erfüllen, mit
    Figure 00100001
    oder V = [(f1,max – f1,min)/ΔT1]/[(f2,max – f2,min)/ΔT2]und mit ΔT1,2 = T1,2,max – T1,2,min,wobei φ die Phase des Verbundes der Zweitor-Oberflächenwellenresonatoresonatoren (2;3), f1,2,max die im betrachteten Temperaturbereich maximale Synchronfrequenz des ersten beziehungsweise zweiten Zweitor-Oberflächenwellenresonators (2; 3), f1,2,min die im betrachteten Temperaturbereich minimale Synchronfrequenz des ersten bzw. zweiten Zweitor-Oberflächenwellenresonators (2;3) und T1,2,max und T1,2,min diejenigen Temperaturen sind, bei denen die entsprechenden Extremwerte der Synchronfrequenzen auftreten und T1 eine Temperatur im betrachteten Temperaturbereich ist.
  3. Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den interdigitalen Wandlern (23;24 bzw. 33;34) wenigstens eines Zweitor-Oberflächenwellenresonators (2;3) ein Zwischenreflektor angeordnet ist.
  4. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate beider Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3) aus der gleichen Kristallart bestehen.
  5. Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate beider Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3) dem gleichen Kristallschnitt angehören und die unterschiedlichen Temperaturabhängigkeiten der Synchronfrequenzen der Zweitor-Oberflächenwellen-resonatoren (2;3) durch unterschiedliche Ausbreitungs-richtungen auf dem Kristallschnitt eingestellt sind.
  6. Oszillator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3) auf ein und demselben Substrat (1) angeordnet und die Wandlerzinken und Reflektorstreifen des zweiten Reflektors (3) in Bezug auf die Wandlerzinken und Reflektorstreifen des ersten Zweitor-Oberflächenwellenreflektors (2) geneigt sind.
  7. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich einer der interdigitalen Wandler (23;24;33;34) durch seine Polarität von den übrigen unterscheidet.
  8. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3) der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz gleicher Ordnung dominiert.
  9. Oszillator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3) der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster Ordnung dominiert.
  10. Oszillator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3) der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz zweiter Ordnung dominiert.
  11. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3) ähnliche Temperaturabhängigkeiten der Synchronfrequenz haben, wobei die Ähnlichkeit darin besteht, dass die Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz des einen Zweitor-Oberflächenwellenresonators (2;3) durch Multiplikation mit einem konstanten Faktor der Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz des jeweils anderen Zweitor-Oberflächenwellenresonators (2;3) so angenähert werden kann, dass die Differenz der Temperaturabhängigkeiten der Synchronfrequenz im gesamten betrachteten Temperaturbereich wesentlich kleiner ist als diese Temperaturabhängigkeit jeder der beiden Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3).
  12. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronwellenlängen in den Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3) so gewählt sind, dass die Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3) trotz unterschiedlicher Phasengeschwindigkeiten die gleiche Resonanzfrequenz haben.
  13. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3) einzeln auf separaten Substraten angeordnet sind.
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