WO2006063984A1 - Oszillator mit zwei eintor-oberflächenwellenresonatoren - Google Patents

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WO2006063984A1
WO2006063984A1 PCT/EP2005/056710 EP2005056710W WO2006063984A1 WO 2006063984 A1 WO2006063984 A1 WO 2006063984A1 EP 2005056710 W EP2005056710 W EP 2005056710W WO 2006063984 A1 WO2006063984 A1 WO 2006063984A1
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port surface
surface wave
wave resonators
temperature
oscillator
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PCT/EP2005/056710
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French (fr)
Inventor
Günter Martin
Original Assignee
Tele Filter Gmbh
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02535—Details of surface acoustic wave devices
    • H03H9/02818—Means for compensation or elimination of undesirable effects
    • H03H9/02834—Means for compensation or elimination of undesirable effects of temperature influence
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/30—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator
    • H03B5/32—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator
    • H03B5/326—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator the resonator being an acoustic wave device, e.g. SAW or BAW device

Definitions

  • the invention relates to the field of electrical engineering / electronics and relates to an oscillator which contains two single-port surface-wave resonators as frequency-determining elements and an active electronic component.
  • This oscillator can be used in various technical fields as a vibration generator or as a sensor.
  • the particular advantage of this oscillator is that it has a very low temperature dependence of the oscillator frequency.
  • Oscillators consist of an oscillator circuit which contains a circuit comprising two single-port surface-wave resonators as the frequency-determining element and an active electronic component, each single-port surface-wave resonator containing an interdigital transducer for surface acoustic waves, and the single-port surface-wave resonators distinguishing themselves distinguish the temperature dependency of the synchronous frequency from each other,
  • the frequency-determining element of the oscillator circuit is a parallel connection of two single-port surface-wave resonators, the substrates of which belong to the same crystal section but use different directions of propagation (DE 29 38 158 [1]).
  • the ST cut of quartz serves as the crystal cut.
  • the substrate of the main resonator has the X axis of quartz as Direction of propagation, while the direction of propagation of the auxiliary resonator is inclined by 41 ° to it.
  • the temperature coefficient of the first-order synchronous frequency disappears in the main resonator.
  • the temperature coefficient of the first-order synchronous frequency of the auxiliary resonator is not equal to zero.
  • the temperature coefficient of the second-order synchronous frequency of the main resonator can be compensated for by adjusting the phase of the auxiliary resonator so that the signal of the auxiliary resonator is orthogonal to the overall signal.
  • each two-port surface wave resonator containing a coupling object, for example a coupling transducer, and the coupling objects of both two-port surface wave resonators have electrical contact with one another via two connections (DE 10 2004 028 421.0). An inductance is connected between these connections.
  • the temperature coefficient of the first-order synchronous frequency dominates in both two-port surface wave resonators.
  • the temperature coefficients of the first-order synchronous frequency of the two-port surface wave resonators have opposite signs.
  • the invention is based on the object of changing oscillators of the known type which contain surface acoustic wave resonators as frequency-determining elements so that the size
  • This object is achieved in that a) the temperature coefficients of the first order of the synchronous frequency of the two single-port surface wave resonators, based on a predetermined temperature, have different signs or are equal to zero and that the temperature coefficients of the second order of the synchronous frequency of the two single-port surface wave resonators, with respect to a predetermined temperature, have the same sign, with aa) if the first order temperature coefficients of the synchronous frequency of the two single-port surface wave resonators have different signs, the circuit consisting of the two single-port
  • Surface wave resonators is a bipolar, in which at least one of the one-port surface wave resonators has an inductance connected in parallel, and where from) if the temperature coefficients of the first order of the synchronous frequency of the two single-port surface wave resonators are zero, the
  • Circuit from the two single-port surface wave resonators is a four-pole, and that b) in the transducers the ratio of their apertures to each other and that
  • the ratio of their tine numbers to one another are chosen so that the temperature influence on the oscillator in the operating temperature range
  • Oscillator frequency is a minimum or has a desired value that deviates from the minimum.
  • the circuit comprising two single-port surface-wave resonators can also be a two-pole, in which two circuits, in each of which a single-port surface-wave resonator and an inductor are connected in parallel, are connected in series.
  • Such a two-pole system can be connected to a component which has a region of differentially negative resistance or can be connected in the feedback of an amplifier in parallel with the input and output of this amplifier.
  • Components with a range of differential negative resistance are, for example, Gunn elements, Impatt diodes and tunnel diodes (Meinke, Gundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Springerverlag 1992, p. G 42, section two-pole oscillators).
  • voltage sources with negative internal resistance can also be used (U. Tietze, Ch. Schenk, semiconductor circuit technology, Springerverlag, pp. 380-383).
  • the circuit of two single-port surface-wave resonators can also be a four-pole of the conductor type, the two single-port surface-wave resonators being connected in series via an electrical connection and the first pole of the input of the four-pole of a branch from the electrical connection and the first pole of the output the four-pole of that connection of the first one-port surface-wave resonator that is not connected to the respective second one-port surface-wave resonator, and the second pole of the input and output of the four-pole of that connection of the second one-port surface-wave resonator that is not connected to the respective first one-port - Surface wave resonator is connected, is formed.
  • the four-pole can be inserted into the feedback of an amplifier and the input or output of the four-pole can be connected to the output or input of the amplifier or vice versa.
  • Both one-port surface wave resonators can be constructed with substrates of the same type of crystal or different types of crystals.
  • the substrates can represent the same crystal section, but also different crystal sections.
  • the one-port surface wave resonators can be constructed on separate substrates, but also on one and the same substrate.
  • the temperature coefficient of the synchronous frequency of the same order can dominate. It is expedient if the temperature coefficient is of the first or second order.
  • the first-order temperature coefficient of the synchronous frequency of each of the two single-port surface-wave resonators can be non-zero and differ in sign from this temperature coefficient of the other single-port surface-wave resonator. The same can also apply to the temperature coefficients of the second order of the synchronous frequency of each of the two single-port surface wave resonators.
  • the second-order temperature coefficients of the synchronous frequency of the two single-port surface-wave resonators are not equal to zero and have the same sign, the first-order temperature coefficients, based on a predetermined temperature, being equal to zero.
  • the crystal section is an ST section of quartz and that the direction is perpendicular to the prongs of the transducers and to
  • Reflector strips for the one-port surface wave resonator is inclined by an angle between 0 ° and 45 ° and for the other single-port surface wave resonator by an angle> 45 ° to the crystallographic X-axis of quartz.
  • the tine period, the metallization ratio and the aperture of the transducers and the thickness of the electrode layer of the one-port surface-wave resonators can be chosen so that their resonances at a predetermined temperature have a predetermined frequency spacing, which is used to set an optimal temperature response of the oscillator frequency.
  • FIG. 1 shows, as the first exemplary embodiment, a series connection of two circuits, in each of which a single-port surface-wave resonator and an inductor are connected in parallel.
  • FIG. 2 shows, as a second exemplary embodiment, a parallel connection of two single-port surface-wave resonators and one inductor.
  • FIG. 3 shows, as a third exemplary embodiment, a circuit of the conductor type consisting of two single-port surface acoustic wave resonators.
  • two single-port surface wave resonators 2 are on a substrate 1, which is an ST section of quartz; 3 arranged, the reflectors 21; 22 and the interdigital converter 23 or from the reflectors 31; 32 and the interdigital converter 33 are composed. Apertures 24; 34 of the transducers 23; 33 are different from each other.
  • the direction perpendicular to the prongs of the transducer 23 and the strips of the reflectors 21; 22 is inclined by the angle .alpha.2 with respect to the crystallographic X-axis, wherein .alpha.2 is between 0.degree. And 45.degree.
  • the direction perpendicular to the prongs of the transducer 33 and the strips of the reflectors 31; 32 is inclined by the angle ⁇ 3 with respect to the crystallographic X-axis, where ⁇ 3 is greater than 45 °.
  • the directions designated by the angles ⁇ 2 and ⁇ 3 have a temperature coefficient of the synchronous frequency n-th equal to 1st order, which is greater or less than zero, while the temperature coefficient of the synchronous frequency (n + 1) -th equals 2nd order of both directions same
  • the inductance 26 and 36 is above that of the connections 25 and 5 or 35 and 5 formed branch connected in parallel to the converter 23 or 33. These parallel connections are connected in series via connection 4.
  • the from the one-port surface wave resonators 2; 3 and the inductors 26; 36 formed resonator is a two-pole, the connections 6; 7 represent its two poles.
  • two single-port surface-wave resonators 12 are on a substrate 11, which is an ST section of quartz; 13 arranged, which consist of the reflectors 121; 122 and the interdigital converter 123 or from the reflectors 131; 132 and the interdigital converter 133 are composed. Apertures 124; 134 of converter 123; 133 are different from each other.
  • the direction perpendicular to the prongs of the transducer 123 and the strips of the reflectors 121; 122 is inclined by the angle ⁇ 12 with respect to the crystallographic X-axis, where ⁇ 12 is between 0 ° and 45 °.
  • the direction perpendicular to the prongs of the transducer 133 and the strips of the reflectors 131; 132 is inclined by the angle ⁇ 13 with respect to the crystallographic X axis, with ⁇ 13 being greater than 45 °.
  • the directions designated by the angles ⁇ 12 and ⁇ 13 have a temperature coefficient of the synchronous frequency n-th equal to 1st order, which is greater or less than zero, while the temperature coefficient of the synchronous frequency (n + 1) -th equal to 2nd order of both directions have the same sign.
  • the converter 123; 133 are connected in parallel with one another and with an inductor 15 via connections 125, 135 and 14.
  • Example 3 Here, according to FIG. 3, two single-port surface-wave resonators 42 are on a substrate 41, which is an ST section of quartz; 43 arranged, which consist of the reflectors 421; 422 and the interdigital converter 423 or from the reflectors 431; 432 and the interdigital converter 433 are composed. Apertures 424; 434 the converter 423; 433 are different from each other. The direction perpendicular to the prongs of the transducer 423 and the strips of the
  • Reflectors 421; 422 is parallel to the crystallographic X-axis, the thickness of the electrode layer being chosen so that the temperature coefficient of the first-order synchronous frequency disappears at room temperature.
  • the temperature coefficient of the synchronous frequency n-th equal to the 1st order of both resonators 42; 43 is zero, while the sign of
  • the direction perpendicular to the prongs of the transducer 433 and the strips of the reflectors 431; 432 is inclined by the angle ⁇ with respect to the crystallographic X-axis, where ⁇ is the angle at which the temperature coefficient of the first-order synchronous frequency disappears at room temperature.
  • the transducers 423 and 433 are connected to one another via the connection 44.
  • the resonator formed from the one-port surface wave resonators 42 and 43 is a four-pole, the connections 45; 426; 435 and 425 represent its four poles.
  • the connection pairs 45; 426 and 435; 425 form the input or output of the four-pole or vice versa.
  • the variation of the oscillator frequency in a temperature range containing the room temperature can be made smaller than by the smaller temperature coefficient of the synchronous frequency second Order of the two one-port surface wave resonators 42; 43 is given.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Oszillator, der zwei Eintor- Oberflächenwellenresonatoren als frequenzbestimmende Elemente enthält. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten derartigen Oszillatoren so zu verändern, dass die Größe /S21/ an der Oszillatorfrequenz, die sich bei der jeweiligen Temperatur einstellt, nur schwach temperaturabhängig ist. Der erfindungsgemäße Oszillator ist dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf eine vorgegebene Temperatur, die Temperaturkoeffizienten erster Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren, (2 ; 3 ; 12 ; 13 ;42 ;43) , unterschiedliche Vorzeichen haben oder gleich null sind und die Temperaturkoeffizienten zweiter Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren gleiche Vorzeichen haben. Die Schaltung aus den beiden Eintor- Oberf lächenwellenresonatoren ist etweder ein Zweipol oder ein Vierpol. Das Verhältnis der Aperturen der Wandler zueinander und das Verhältnis der Zinkenzahlen zueinander sind so gewählt, dass im Einsatztemperaturbereich des Oszillators der Temperatur einflussauf die Oszillatorfrequenz ein Minimum ist.

Description

OSZILLATOR MIT ZWEI EINTOR-OBERFLACHENWELLENRESONATOREN
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet Elektrotechnik/ Elektronik und betrifft einen Oszillator, der zwei Eintor-Oberflächenwellenresonatoren als frequenzbestimmende Elemente und ein aktives elektronisches Bauelement enthält. Dieser Oszillator ist in verschiedenen technischen Gebieten als Schwingungserzeuger oder auch als Sensor einsetzbar. Der besondere Vorteil dieses Oszillators besteht darin, dass er eine sehr geringe Temperaturabhängigkeit der Oszillatorfrequenz aufweist.
Stand der Technik
Es sind Oszillatoren bekannt, die aus einem Oszillatorkreis, der eine Schaltung aus zwei Eintor-Oberflächenwellenresonatoren als frequenzbestimmendes Element und einem aktiven elektronischen Bauelement enthält, bestehen, wobei jeder Eintor-Oberflächenwellenresonator einen interdigitalen Wandler für akustische Oberflächenwellen enthält und wobei die Eintor- Oberflächenwellenresonatoren sich durch die Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz voneinander unterscheiden,
Bei einer speziellen Ausführung stellt das frequenzbestimmende Element des Oszillatorkreises eine Parallelschaltung von zwei Eintor- Oberflächenwellenresonatoren dar, deren Substrate ein und demselben Kristallschnitt angehören, aber verschiedene Ausbreitungsrichtungen benutzen (DE 29 38 158 [1]). Als Kristallschnitt dient der ST-Schnitt von Quarz. Das Substrat des Hauptresonators hat die X-Achse von Quarz als Ausbreitungsrichtung, während die Ausbreitungsrichtung des Hilfsresonators um 41° dazu geneigt ist. Demzufolge verschwindet bei dem Hauptresonator der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster Ordnung. Dagegen ist der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster Ordnung des Hilfsresonators ungleich null. Trotz der unterschiedlichen Ordnungen der Temperaturkoeffizienten gelingt es, den Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz zweiter Ordnung des Hauptresonators zu kompensieren, indem die Phase des Hilfsresonators so eingestellt wird, dass das Signal des Hilfsresonators orthogonal zum Gesamtsignal ist.
Es wurde bereits vorgeschlagen, als frequenzbestimmendes Element eines Oszillators zwei Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren so zu kombinieren, dass die Wandler zwei parallel geschaltete Paare bilden, wobei jeweils ein Wandler des ersten Zweitorresonators und ein Wandler des jeweils zweiten Zweitorresonators ein solches Paar bilden (DE 103 39 865.1 ). Dabei dominiert in beiden Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz zweiter Ordnung.
Weiterhin wurde bereits vorgeschlagen, als frequenzbestimmendes Element eines Oszillators eine Kaskadenschaltung aus zwei Zweitor-
Oberflächenwellenresonatoren zu verwenden, wobei jeder Zweitor- Oberflächenwellenresonator ein Koppelobjekt, zum Beispiel einen Koppelwandler, enthält und die Koppelobjekte beider Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren miteinander über zwei Verbindungen elektrisch Kontakt haben (DE 10 2004 028 421.0). Zwischen diese Verbindungen ist eine Induktivität geschaltet. In beiden Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren dominiert der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster Ordnung. Die Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz erster Ordnung der Zweitor- Oberflächenwellenresonatoren haben entgegengesetzte Vorzeichen. Im Zusammenhang mit femabfragbaren Sensoren ist es bekannt, zur Temperaturkompensation zwei Eintor-Oberflächenwellenresonatoren zu kombinieren, deren Substrate verschiedene Ausbreitungsrichtungen ein und desselben Kristallschnitts repräsentieren (A differential measurement SAW device for passive remote sensoring, W. Buff, M. Rusko, T. Vandahl, M. Goroll und F. Möller, Proc. 1996 IEEE Ultrasonics Symposium, S. 343-346 [2]). Voraussetzung für die Temperaturkompensation ist dabei, dass diese Ausbreitungsrichtungen unterschiedliche Phasen-geschwindigkeiten und nahezu gleiche Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz haben.
Die in der Druckschrift [1] beschriebene Lösung hat den Nachteil, dass die Größe |S2i| bei der Oszillatorfrequenz, die sich beim Betreiben des bekannten Resonators als Vierpol im Oszillatorkreis temperaturabhängig einstellt, zu stark temperaturabhängig ist, so dass der Verstärker in der Rückkopplung infolge eines zu großen Verstärkungsbereichs unerwünschte nichtlineare Effekte oder als geregelter Verstärker zu hohe Kosten verursacht und Jitter und Phasenrauschen sich zu stark mit der Temperatur ändern.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Oszillatoren der bekannten Art, die akustische Oberflächenwellenresonatoren als frequenzbestimmende Elemente enthalten, so zu verändern, dass die Größe |S2i| an der Oszillatorfrequenz, die sich bei der jeweiligen Temperatur einstellt, nur schwach temperaturabhängig ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass a) die Temperaturkoeffizienten erster Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren, bezogen auf eine vorgegebene Temperatur, unterschiedliche Vorzeichen haben oder gleich null sind und dass die Temperaturkoeffizienten zweiter Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren, bezogen auf eine vorgegebene Temperatur, gleiche Vorzeichen haben, wobei aa) falls die Temperaturkoeffizienten erster Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren unterschiedliche Vorzeichen haben, die Schaltung aus den beiden Eintor-
Oberflächenwellenresonatoren ein Zweipol ist, bei dem mindestens zu einem der Eintor-Oberflächenwellenresonatoren eine Induktivität parallel geschaltet ist, und wobei ab) falls die Temperaturkoeffizienten erster Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren gleich null sind, die
Schaltung aus den beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren ein Vierpol ist, und dass b) bei den Wandlern das Verhältnis ihrer Aperturen zueinander und das
Verhältnis ihrer Zinkenzahlen zueinander so gewählt sind, dass im Einsatztemperaturbereich des Oszillators der Temperatureinfluss auf die
Oszillatorfrequenz ein Minimum ist oder einen vom Minimum abweichenden, gewünschten Wert aufweist.
Im Folgenden werden zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben.
Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann die Schaltung aus zwei Eintor-Oberflächenwellenresonatoren auch ein Zweipol sein, bei dem zwei Schaltungen, bei denen jeweils ein Eintor-Oberflächenwellenresonator und eine Induktivität parallel geschaltet sind, in Reihe geschaltet sind.
Dies hat den Vorteil, dass neben dem Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz erster Ordnung auch derjenige zweiter Ordnung kompensiert werden kann. Ein solcher Zweipol kann an ein Bauelement angeschlossen sein, das einen Bereich differentiell negativen Widerstands aufweist oder in die Rückkopplung eines Verstärkers parallel zum Ein- und Ausgang dieses Verstärkers geschaltet sein. Bauelemente mit einem Bereich differentiell negativen Widerstands sind beispielsweise Gunn-Elemente, Impattdioden und Tunneldioden (Meinke, Gundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Springerverlag 1992, S. G 42, Abschnitt Zweipoloszillatoren). Anwendbar sind aber auch Spannungsquellen mit negativem Innenwiderstand (U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, Springerverlag, S. 380-383).
Die Schaltung aus zwei Eintor-Oberflächenwellenresonatoren kann auch ein Vierpol vom Leitertyp sein, wobei die zwei Eintor-Oberflächenwellenresonatoren über eine elektrische Verbindung in Reihe geschaltet sind und der erste Pol des Eingangs des Vierpols von einer Abzweigung von der elektrischen Verbindung und der erste Pol des Ausgangs des Vierpols von demjenigen Anschluss des ersten Eintor-Oberflächenwellenresonators, der nicht mit dem jeweils zweiten Eintor-Oberflächenwellenresonator verbunden ist, und der zweite Pol des Ein- und Ausgangs des Vierpols von demjenigen Anschluss des zweiten Eintor- Oberflächenwellenresonators, der nicht mit dem jeweils ersten Eintor- Oberflächenwellenresonator verbunden ist, gebildet wird. Der Vierpol kann in die Rückkopplung eines Verstärkers eingefügt und der Ein- bzw. Ausgang des Vierpols an den Aus- bzw. Eingang des Verstärkers oder umgekehrt angeschlossen sein.
Beide Eintor-Oberflächenwellenresonatoren können mit Substraten der gleichen Kristallart oder verschiedener Kristallarten aufgebaut sein. Die Substrate können den gleichen Kristallschnitt, aber auch verschiedene Kristallschnitte darstellen. Die Eintor-Oberflächenwellenresonatoren können auf separaten Substraten, aber auch auf ein und demselben Substrat aufgebaut sein.
In beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren kann der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz gleicher Ordnung dominieren. Zweckmäßig ist es, wenn es sich um den Temperaturkoeffizienten erster oder zweiter Ordnung handelt. Der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Synchronfrequenz jedes der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren kann ungleich null sein und sich von diesem Temperaturkoeffizienten des jeweils anderen Eintor- Oberflächenwellenresonators im Vorzeichen unterscheiden. Analoges kann auch für die Temperaturkoeffizienten zweiter Ordnung der Synchronfrequenz jedes der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren gelten. Es kann aber auch zweckmäßig sein, wenn die Temperaturkoeffizienten zweiter Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren ungleich null sind und das gleiche Vorzeichen haben, wobei die Temperaturkoeffizienten erster Ordnung, bezogen auf eine vorgegebene Temperatur, gleich null sind.
Wenn sich die Temperaturkoeffizienten erster Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren im Vorzeichen unterscheiden sollen, so ist es zweckmäßig, dass der Kristallschnitt ein ST-Schnitt von Quarz ist und dass die Richtung senkrecht zu den Zinken der Wandler und zu den
Reflektorstreifen für den einen Eintor-Oberflächenwellenresonator um einen Winkel zwischen 0° und 45° und für den anderen Eintor- Oberflächenwellenresonator um einen Winkel >45° zur kristallografischen X- Achse von Quarz geneigt ist.
Schließlich können die Zinkenperiode, das Metallisierungsverhältnis und die Apertur der Wandler sowie die Dicke der Elektrodenschicht der Eintor- Oberflächenwellenresonatoren so gewählt sein, dass deren Resonanzen an einer vorgegebenen Temperatur einen vorgegebenen Frequenzabstand haben, der zur Einstellung eines optimalen Temperaturganges der Oszillatorfrequenz dient.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Die Ausführungsbeispiele stellen frequenzbestimmende Elemente von Oszillatoren dar. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel eine Reihenschaltung von zwei Schaltungen, bei denen je ein Eintor-Oberflächenwellenresonator und eine Induktivität parallel geschaltet sind.
Fig. 2 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel eine Parallelschaltung von zwei Eintor-Oberflächenwellenresonatoren und einer Induktivität.
Fig. 3 zeigt als drittes Ausführungsbeispiel eine Schaltung vom Leitertyp aus zwei Eintor-Oberflächenwellenresonatoren.
Ausführungsformen der Erfindung
Beispiel 1
Hierbei sind gemäß Fig. 1 auf einem Substrat 1 , das ein ST-Schnitt von Quarz ist, zwei Eintor-Oberflächenwellenresonatoren 2; 3 angeordnet, die aus den Reflektoren 21 ; 22 und dem interdigitalen Wandler 23 bzw. aus den Reflektoren 31 ; 32 und dem interdigitalen Wandler 33 zusammengesetzt sind. Die Aperturen 24; 34 der Wandler 23; 33 sind voneinander verschieden. Die Richtung senkrecht zu den Zinken des Wandlers 23 und der Streifen der Reflektoren 21 ; 22 ist um den Winkel α2 gegenüber der kristallografischen X-Achse geneigt, wobei α2 zwischen 0° und 45° liegt. Die Richtung senkrecht zu den Zinken des Wandlers 33 und der Streifen der Reflektoren 31 ; 32 ist um den Winkel α3 gegenüber der kristallografischen X-Achse geneigt, wobei α3 größer als 45° ist. Die mit den Winkeln α2 und α3 bezeichneten Richtungen haben einen Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz n-ter gleich 1. Ordnung, der größer bzw. kleiner als null ist, während die Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz (n+1 )-ter gleich 2. Ordnung beider Richtungen das gleiche
Vorzeichen haben. Die Induktivität 26 bzw. 36 ist über den von den Verbindungen 25 und 5 bzw. 35 und 5 gebildeten Zweig parallel zum Wandler 23 bzw. 33 geschaltet. Diese Parallelschaltungen sind über die Verbindung 4 in Reihe geschaltet. Der aus den Eintor-Oberflächenwellenresonatoren 2; 3 und den Induktivitäten 26; 36 gebildete Resonator ist ein Zweipol, dessen Anschlüsse 6; 7 seine zwei Pole darstellen. Mit der Einstellung des Verhältnisses der Aperturen 24 und 34 und der Zinkenanzahl der Wandler 23; 33 sowie der Induktivitäten 26; 36 gelingt es, sowohl den Temperaturkoeffizienten der Oszillatorfrequenz erster als auch zweiter Ordnung zu kompensieren.
Beispiel 2
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind gemäß Fig. 2 auf einem Substrat 11 , das ein ST-Schnitt von Quarz ist, zwei Eintor-Oberflächenwellenresonatoren 12; 13 angeordnet, die aus den Reflektoren 121 ; 122 und dem interdigitalen Wandler 123 bzw. aus den Reflektoren 131 ; 132 und dem interdigitalen Wandler 133 zusammengesetzt sind. Die Aperturen 124; 134 der Wandler 123; 133 sind voneinander verschieden. Die Richtung senkrecht zu den Zinken des Wandlers 123 und der Streifen der Reflektoren 121 ; 122 ist um den Winkel α12 gegenüber der kristallografischen X-Achse geneigt, wobei α12 zwischen 0° und 45° liegt. Die Richtung senkrecht zu den Zinken des Wandlers 133 und der Streifen der Reflektoren 131 ; 132 ist um den Winkel α13 gegenüber der kristallografischen X- Achse geneigt, wobei α13 größer als 45° ist. Die mit den Winkeln α12 und α13 bezeichneten Richtungen haben einen Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz n-ter gleich 1. Ordnung, der größer bzw. kleiner als null ist, während die Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz (n+1 )-ter gleich 2. Ordnung beider Richtungen das gleiche Vorzeichen haben. Die Wandler 123; 133 sind über die Verbindungen 125, 135 und 14 miteinander und mit einer Induktivität 15 parallel geschaltet. Der aus den Eintor-
Oberflächenwellenresonatoren 12; 13 und der Induktivität 15 gebildete Resonator ist ein Zweipol, dessen Anschlüsse 16; 17 seine zwei Pole darstellen. Mit der Einstellung des Verhältnisses der Aperturen 124 und 134 und der Zinkenanzahl der Wandler 123; 133 sowie der Induktivität 15 gelingt es, sowohl den Temperaturkoeffizienten der Oszillatorfrequenz erster als auch zweiter Ordnung zu kompensieren.
Beispiel 3 Hierbei sind gemäß Fig. 3 auf einem Substrat 41 , das ein ST-Schnitt von Quarz ist, zwei Eintor-Oberflächenwellenresonatoren 42; 43 angeordnet, die aus den Reflektoren 421 ; 422 und dem interdigitalen Wandler 423 bzw. aus den Reflektoren 431 ; 432 und dem interdigitalen Wandler 433 zusammengesetzt sind. Die Aperturen 424; 434 der Wandler 423; 433 sind voneinander verschieden. Die Richtung senkrecht zu den Zinken des Wandlers 423 und der Streifen der
Reflektoren 421 ; 422 ist parallel zur kristallografischen X-Achse, wobei die Dicke der Elektrodenschicht so gewählt ist, dass der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster Ordnung bei Raumtemperatur verschwindet. Der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz n-ter gleich 1. Ordnung beider Resonatoren 42; 43 ist gleich null, während die Vorzeichen der
Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz (n+1 )-er gleich 2. Ordnung übereinstimmen. Die Richtung senkrecht zu den Zinken des Wandlers 433 und der Streifen der Reflektoren 431 ; 432 ist um den Winkel α gegenüber der kristallografischen X-Achse geneigt, wobei α derjenige Winkel ist, unter dem der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster Ordnung bei Raumtemperatur verschwindet. Die Wandler 423 und 433 sind über die Verbindung 44 miteinander verbunden. Der aus den Eintor-Oberflächenwellenresonatoren 42 und 43 gebildete Resonator ist ein Vierpol, dessen Anschlüsse 45; 426; 435 und 425 seine vier Pole darstellen. Die Anschlusspaare 45; 426 und 435; 425 bilden den Ein- bzw. Ausgang des Vierpols oder umgekehrt. Mit der Einstellung des Verhältnisses der Aperturen 424 und 434, der Zinkenanzahl und der Zinkenperiode der Wandler 423 und 433 kann mit Hilfe dieses Resonators als frequenzbestimmendes Element die Variation der Oszillatorfrequenz in einem die Raumtemperatur enthaltenden Temperaturbereich kleiner gemacht werden als durch den kleineren Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz zweiter Ordnung der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren 42; 43 gegeben ist.

Claims

10426 PCTD Ansprüche
1. Oszillator, bestehend aus einem Oszillatorkreis, der eine Schaltung aus zwei Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3;12;13;42;43) als frequenzbestimmendes Element und ein aktives elektronisches Bauelement enthält, wobei jeder Eintor-Oberflächenwellenresonator (2;3;12;13;42;43) einen interdigitalen Wandler (23;33;123;133;423;433) für akustische Oberflächenwellen enthält und wobei die Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3;12;13;42;43) sich durch die Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz voneinander unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Temperaturkoeffizienten erster Ordnung der Synchronfrequenz der beiden
Eintor-Oberflächenwellenresonatoren, (2;3;12;13;42;43), bezogen auf eine vorgegebene Temperatur, unterschiedliche Vorzeichen haben oder gleich null sind und dass die Temperaturkoeffizienten zweiter Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3;12;13;42;43), bezogen auf eine vorgegebene Temperatur, gleiche Vorzeichen haben, wobei aa) falls die Temperaturkoeffizienten erster Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3;12;13;42;43) unterschiedliche Vorzeichen haben, die Schaltung aus den beiden Eintor- Oberflächenwellenresonatoren (2;3;12;13;42;43) ein Zweipol ist, bei dem mindestens zu einem der Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3;12;13;42;43) eine Induktivität parallel geschaltet ist, und wobei ab) falls die Temperaturkoeffizienten erster Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3;12;13;42;43) gleich null sind, die Schaltung aus den beiden Eintor- Oberflächenwellenresonatoren (2;3;12;13;42;43) ein Vierpol ist, und dass b) bei den Wandlern (23;33;123;133;423;433) das Verhältnis ihrer Aperturen
(24;34;124;134;424;434) zueinander und das Verhältnis ihrer Zinkenzahlen (23;33;123;133;423;433) zueinander so gewählt sind, dass im Einsatztemperaturbereich des Oszillators der Temperatureinfluss auf die Oszillatorfrequenz ein Minimum ist oder einen vom Minimum abweichenden, gewünschten Wert aufweist.
2. Oszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung aus zwei Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3) ein Zweipol ist, bei dem zwei Schaltungen, bei denen jeweils ein Eintor-Oberflächenwellenresonator (2;3) und eine Induktivität (26;36) parallel geschaltet sind, in Reihe geschaltet sind.
3. Oszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Vierpol ein Vierpol vom Leitertyp ist, wobei die zwei Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (42;43) über eine elektrische Verbindung (44) in Reihe geschaltet sind und der erste Pol (45) des Eingangs des Vierpols von einer Abzweigung von der elektrischen Verbindung (44) und der erste Pol (435) des Ausgangs des Vierpols von demjenigen Anschluss des ersten Eintor-Oberflächenwellenresonators (43), der nicht mit dem jeweils zweiten Eintor-Oberflächenwellenresonator (42) verbunden ist, und der zweite Pol des Ein- und Ausgangs (426;425) des Vierpols von demjenigen Anschluss des zweiten Eintor-Oberflächenwellenresonators (42), der nicht mit dem jeweils ersten Eintor-Oberflächenwellenresonator (43) verbunden ist, gebildet wird.
4. Oszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Zweipol in einen Oszillatorkreis geschaltet ist, der als aktives elektronisches Bauelement ein Bauelement mit einem differentiell negativen Widerstand enthält.
5. Oszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillatorkreis einen Verstärker als aktives elektronisches Bauelement enthält, wobei der Zweipol in die Rückkopplung des Verstärkers in Reihe mit oder parallel zu dem Ein- und Ausgang des Verstärkers geschaltet ist.
6. Oszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillatorkreis einen Verstärker als aktives elektronisches Bauelement enthält und der Vierpol in die Rückkopplung eines Verstärkers eingefügt und der Ein- bzw. Ausgang des Vierpols an den Aus- bzw. Eingang des Verstärkers angeschlossen ist.
7. Oszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass beide Eintor- Oberflächenwellenresonatoren (2;3;12;13;42;43) mit Substraten der gleichen Kristallart aufgebaut sind.
8. Oszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate der Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3; 12; 13;42;43) verschiedenen Kristallarten angehören.
9. Oszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate der Eintor-Oberflächenwellen-resonatoren (2;3;12;13;42;43) mit verschiedenen Kristallschnitten aufgebaut sind.
10. Oszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Eintor- Oberflächenwellenresonatoren (2;3;12;13;42;43) unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen für akustische Oberflächenwellen auf ein und demselben Kristallschnitt benutzen.
11.Oszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Eintor- Oberflächenwellenresonatoren (2;3;12;13;42;43) auf separaten Substraten angeordnet sind.
12. Oszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstrukturen beider Eintor-Oberflächenwellen- resonatoren (2;3;12;13;42;43) auf einem gemeinsamen Substrat (1 ) angeordnet sind.
13. Oszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Eintor- Oberflächenwellenresonatoren (2;3;12;13;42;43) der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz gleicher Ordnung dominiert.
14. Oszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Eintor- Oberflächenwellenresonatoren (2;3;12;13;42;43) der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster Ordnung dominiert.
15. Oszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Eintor- Oberflächenwellenresonatoren (2;3;12;13;42;43) der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz zweiter Ordnung dominiert.
16. Oszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Synchronfrequenz jedes der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3) ungleich null ist und sich von diesem Temperaturkoeffizienten des jeweils anderen Eintor-Oberflächenwellenresonators im Vorzeichen unterscheidet.
17. Oszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturkoeffizient zweiter Ordnung der Synchronfrequenz jedes der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3;12;13;42;43) ungleich null ist und sich von diesem Temperaturkoeffizienten des jeweils anderen Eintor- Oberflächenwellenresonators (2;3;12;13;42;43) im Vorzeichen unterscheidet, wobei die Temperaturkoeffizienten erster Ordnung, bezogen auf eine vorgegebene Temperatur, gleich null sind.
18. Oszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturkoeffizienten zweiter Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3;12;13;42;43) ungleich null sind und das gleiche Vorzeichen haben, wobei die Temperaturkoeffizienten erster Ordnung, bezogen auf eine vorgegebene Temperatur, gleich null sind.
19. Oszillator nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallschnitt ein ST-Schnitt von Quarz ist und dass die Richtung senkrecht zu den Zinken der Wandler und zu den Reflektorstreifen für den einen Eintor- Oberflächenwellenresonator (2; 12) um einen Winkel zwischen 0° und 45° und für den anderen Eintor-Oberflächenwellenresonator (3; 13) um einen Winkel >45° zur kristallografischen X-Achse von Quarz geneigt ist.
20. Oszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zinkenperiode und Apertur (24;34;124;134;424;434) der Wandler (23;33;123;133;423;433) sowie die Dicke der Elektrodenschicht der Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (2;3;12;13;42;43) so gewählt sind, dass deren Resonanzen an einer vorgegebenen Temperatur einen vorgegebenen Frequenzabstand haben, der zur Einstellung eines optimalen Temperaturganges der Oszillatorfrequenz dient.
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