CN102142810A - 温补振荡器及其温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数字温补振荡器，其采用模拟数字结合工艺，利用集成的二极管温度计测量环境温度，利用已知的晶振频率和温度的关系来调节晶振频率。在频率调节上采用数字减波法。在大大降低电路复杂程度同时，精确的补偿了频率的误差和温度漂移，频率稳定性达到了传统模拟TCXO的水平。

Description

温补振荡器及其温度补偿方法

【技术领域】

本发明涉及晶体振荡电路领域，特别是关于一种对晶体振荡电路进行温度补偿的温补振荡器及其方法。

【背景技术】

在电子钟以及有些需要计时的电子产品中，通常都会设置时钟晶振来提供时钟信号。现有的时钟晶振一般是采用陶瓷晶体或石英晶体作为时钟发生器。陶瓷和石英晶体在温度变化时，其震荡频率也会发生相应变化，通常这些晶振频率的温度漂移在-45到85摄氏度范围内最多可以达到150ppm，相当于一年时间误差75分钟。这样的时间误差应用在时钟电路中是不可接受的。因此需要温度补偿，来弥补由于温度变化造成的时间误差。温度补偿晶振(TCXO)的频率误差可以达到1ppm，相应于每年误差30秒。

目前国际上领先的TCXO生产商如Maxim等采用的方案，是利用集成封装的晶振和温度补偿电路，通过温度补偿电路测量环境温度，改变振荡电路电容值的方法来补偿频率。该方案是一个纯粹的模拟方案，对工艺要求较高，因而成本较高。该类设计适用于对生产工艺有控制权的拥有工艺生产线的设计厂商，不适用于小规模的纯设计公司(Fabless design house)和工艺水平相对落后的生产线。

因此，希望提出一种新的温度补偿晶振，既能精确补偿频率误差和温度漂移，又能降低制造工艺要求和降低成本。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种既能精确补偿频率误差和温度漂移，又能降低制造工艺要求和降低成本的温度补偿晶体振荡器。

本发明的另一目的在于提供一种对晶体振荡器进行温度补偿的方法。

为达成本发明的目的，本发明一种温补振荡器，其包括温度计电路、晶振电路以及温度补偿电路；所述温度计电路输出数字温度至温度补偿电路，晶振电路输出晶振频率信号至温度补偿电路，温度补偿电路根据温度计电路输出的数字温度T，由公式f(T)＝aT²+bT+c计算当前晶振的频率，其中a、b、c为常数系数，并利用截波法修正晶振电路输入的晶振频率信号至预设的标准频率。

进一步地，前述温度补偿电路包括存储单元以及修正算法电路，存储单元用于存储前述常数系数a、b、c，修正算法电路计算当前晶振的频率并修正晶振电路输入的晶振频率信号至预设的标准频率。

进一步地，前述系数a、b、c是通过实验在连续温度变化过程中，测量相距10度左右的三点的温度输出和频率漂移，根据这三个数据求出数值a、b、c。

进一步地，前述修正算法电路计算出当前晶振的频率后，将当前晶振频率与预设的标准频率比较，确定需要截波的数量，然后通过截波法修正晶振电路输入的晶振频率信号至预设的标准频率。

进一步地，前述温度计电路包括提供基准电流的带隙基准电路、电压采集电路、放大电路、模数转换电路以及滤波电路，带隙基准电路提供电流给电压采集电路，前述电压采集电路包括两条并联支路，其中一条支路采集一个电压，另一条支路采集另一个电压，两条支路采集的电压输入放大电路进行差分放大，放大电路的输出电压经过模数转换电路和滤波电路之后可输出一个数字温度。

进一步地，前述电压采集电路的一条支路包括至少一个节点电压随温度变化而变化的二极管。

进一步地，前述带隙基准电路为不需要温度补偿的高电源电压抑制比的电流镜。

进一步地，前述模数转换电路为∑-Δ模数转换器。

进一步地，前述模数转换器的比较器位数为三位，前述模数转换器的输入信号峰值为积分放大器满幅输出的1/8。

进一步地，前述滤波电路为梳状滤波器。

进一步地，前述温补振荡器还包括控制温度补偿电路工作时间以减少芯片耗能的电源管理电路。

为达成前述另一目的，本发明一种对晶体振荡器进行温度补偿的方法，其包括如下步骤：

利用数字温度计电路测量当前温度；

通过公式f(T)＝aT²+bT+c计算当前晶振的频率，其中a、b、c为常数系数；

计算当前晶振频率与预期的标准的差值确定需要截波数量；

通过截波法降低当前晶振频率至预期的标准频率。

进一步地，前述数字温度计电路包括提供基准电流的带隙基准电路、电压采集电路、放大电路、模数转换电路以及滤波电路，带隙基准电路提供电流给电压采集电路，前述电压采集电路包括两条并联支路，其中一条支路采集一个电压，另一条支路采集另一个电压，两条支路采集的电压输入放大电路进行差分放大，放大电路的输出电压经过模数转换电路和滤波电路之后可输出一个数字温度。

进一步地，前述电压采集电路的一条支路包括至少一个节点电压随温度变化而变化的二极管。

进一步地，前述系数a、b、c是通过实验在连续温度变化过程中，测量相距10度左右的三点的温度输出和频率漂移，根据这三个数据求出数值a、b、c。

与现有技术相比，本发明的温度补偿晶体振荡器，利用已知的晶振频率和温度的关系来调节晶振频率。在频率调节上采用数字减波法。在大大降低电路复杂程度同时，精确的补偿了频率的误差和温度漂移，频率稳定性达到了传统模拟TCXO的水平，但成本较低。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明温补振荡器的基本结构框图。

图2为本发明温补振荡器的温度计电路的结构框图。

图3为本发明温补振荡器的晶振电路的结构示意图。

图4为本发明温度补偿电路的结构示意图。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。很显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不脱离本发明本质和精神的情况下所获得的所有其它实施例，都属于本发明公开和保护的范围。

在该说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”可能并非指的是同一个实施例，也不是与其它实施例相互排斥的相互独立或选择性的实施例。此外，在流程图或图示模块的顺序，或者用来描述本发明的一个或多个实施例的序号并非固定的指代任何特定的顺序，也不构成对本发明的限制。

请参阅图1所示，其显示本发明温度补偿振荡器的基本结构框图。如图所示，本发明的温度补偿振荡器1，其包括温度计电路12、晶振电路13、温度补偿电路14以及电源管理电路11。

由于二极管的节电压在温度每上升1℃便降低约2mV，因此本发明的温度补偿振荡器的温度计电路利用二极管的节电压的温度特性来测量环境温度。请参阅图2所示，本发明温度补偿振荡器1的温度计电路12包括带隙基准电路21、电压采集电路22、放大器单元26、模数转换单元27以及滤波单元28。

带隙基准电路21相当于一个电流源，其提供电流给电压采样电路22。由于电路产生的是一个随温度变化的电压信号，因此带隙基准不需要温度补偿，但是需要有较好的电源噪声抑制比(PSRR)。为了保证电路在供电电压有1V波动的情况下仍然有精确的补偿，PSRR应该保证有60dB以上。而电压采集电路22包括两个并联的支路，其中第一支路通过电阻23接地，第二支路通过两个串联的二极管24、25接地。带隙基准电路21提供的电流流经两个支路，在电压采集电路的第一支路的电阻23一端设置一个电压采集点采集第一支路的节点电压值Vr，在电压采集电路22的第二支路的二极管24的一端设置一个电压采集点采集第二支路的节点电压值Vd。由于每个二极管在温度每上升1℃便降低约2mV，因此两个串联的二级管便有4mV/℃的温度敏感度。即温度每上升1℃，两个二极管所在支路的电压采集点的电压Vd就降低4mV，则第一支路和第二支路两个采集点之间的电压之差Vr-Vd就会随温度变化。

将在电压采集电路22的两个采集点采集到的电压Vd和Vr输入放大器单元26，该放大器单元26为一个差分运算放大器，根据输入信号Vd和Vr的差值输出一个电压信号Vout。鉴于温度对二极管节电压的影响，电压采集电路22的二极管支路采集到的电压Vd可以表示为是一个与温度有关的函数：

V_d＝V_BE(I(T)，T)

而电压采集单元22的第一支路的节点电压Vr为电流与电阻的乘积，也可以表示为一个与温度有关的函数：

V_r＝R(T)I(T)

则放大器单元26的输入电压可以表示为：

V_in＝V_d-V_r＝V_BE(I(T)，T)-R(T)I(T)      (1)

如果放大器单元26的差分放大器的电路完全对称的话，则放大器单元26的输出电压为：

V_out＝A_d×V_in＝A_d×(V_d-V_r)             (2)

将式(1)代入式(2)并对输出电压对温度求导可以得到：

$\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{out}}}{\mathrm{dT}}=A_d\×(\frac{{\∂V}_{\mathrm{BE}}}{\∂I}\×\frac{\∂I}{\∂T}+\frac{{\∂V}_{\mathrm{BE}}}{\∂T}-\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{dT}}\×I-R\×\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dT}})---\left(3\right)$

其中式(3)括号中的第一项为两个小量的乘积，大小可以忽略不计，第二项是二极管节电压对温度的导数，是个常数，第三项是电阻相对温度的导数，也是个常数，第四项是电流相对温度的导数，也是个常数，所以输出电压对温度的导数为一个常数。这样放大器单元26的输出即是一个与温度信号成线性关系的电压信号。

放大器单元26输出的模拟电压信号经过一个模数转换单元27转换成数字信号。在一个实施例中，本发明的模数转换单元27为∑-Δ模数转换器。

∑-Δ模数转换器采用一级积分电路。由于采样信号频率低，输出线性要求低。由于是低速采样电路，为了降低积分器对电容电阻参数的要求，本发明通过增加比较器的位数，采用3位采样结构，这个结构对积分器时间常数的要求降低8倍。同时可以将输入信号峰值减小为积分放大器满幅输出的1/8。这样在信噪比参数满足的情况下，降低了积分时间常数64倍，大大降低了电路中R和C的参数值。以32KHz的采样频率为例子，积分电路时间常数降低为50ns，对RC参数要求降低。

∑-Δ模数转换器后的滤波单元28可采用梳状滤波器(Comb Filter)。梳状滤波器是最节省硬件资源的有限长脉冲响应滤波器(FIR)，不需要乘法器。这对节省产品成本和功耗有重要意义。

请参阅图3所示，其显示本发明温补振荡器的晶振电路的结构示意图。如图所示，本发明温补振荡器的晶振电路与现有的晶振电路结构基本相同，其主要包括一个晶振31以及一个反向放大电路32，该晶振电路用于输出一个振荡信号。

由于晶振频率和温度呈倒抛物线关系，在室温下共振频率达到最高点、在高温和低温下共振频率下降，所以晶振频率f应该与温度T成一个二次函数关系：

f(T)＝aT²+bT+c    (4)

其中a、b、c为常数。

而前面通过温度计电路12测出的输出电压和温度呈线性关系，所以晶振频率f与前述温度计电路测出的输出电压V也呈一个二次函数关系：

f(V)＝aV²+bV+c    (5)

前述公式(4)和公式(5)中的系数虽然都用a、b、c表示，可能实际的值并不相等，但这些系数都是常数。在确定该函数的系数a、b、c之后，即可知道每个温度下对应的晶振频率是多少。系数a、b、c的确定方法可以通过测试的方式算出，测量任意三点的温度输出和频率漂移，根据这三个数据代入前述公式(4)或(5)即可求出数值a、b、c。在一个实施例中，本发明是在连续温度变化过程中，测量相距10度左右的三点的温度输出和频率漂移，比如测量5℃、15℃以及25℃时的温度输出和频率漂移，根据这三个数据求出数值a、b、c。

前述公式中，每次温度计电路12会测量当前温度下的输出电压，根据前述公式即可知道每个温度下实际的频率值，然后对该频率进行温度补偿修正，将其修正到预期的标准频率。

本发明频率补偿修正采用的是截波法，即预先提供一个晶振频率比标准频率高的晶振，然后在一定的周期内截掉一个或几个周期的波形，使得整个晶振的频率降低，然后继续与标准频率比较，直到晶振频率达到标准频率。

在本发明一个实施例中，例如预期的标准频率是32.768KHZ的方波，由于晶振频率与温度是一个倒抛物线关系，在-45℃和105℃的温度极限值时，晶振的共振频率比室温下的晶振频率(也即峰值频率)低约150ppm。由于采用截波法补偿温度漂移，为保证使用的晶振在极限温度时也能够截去一个或几个波形而达到标准频率，所以电路使用的晶振的共振频率的峰值频率至少比32.768KHz的标准频率要高150ppm以上。

请参阅图4所示，其显示本发明对晶振频率进行温度补偿修正的原理示意图。

如图所示，本发明的温度补偿电路14包括一个只读存储器(ROM)41，其内部储存前述公式(4)或公式(5)二次函数的系数a、b、c，本发明的温度补偿电路中还包括一个修正算法电路42，从前述温度计电路12输出的电压值以及晶振电路13输出的晶振频率一起输入修正算法电路42。则修正算法电路42根据ROM中储存的有系数a、b、c，和温度计电路12输出的电压值，由前述公式f(V)＝aV²+bV+c，即可计算出当前温度下晶振的实际频率。在实际应用中，所述系数a、b、c可以由晶振制造者测量，然后提供给芯片设计者，则芯片设计者只需要将系数a、b、c写入存储器中，或者也可以由芯片设计者自己测量该系数然后写入存储器中。将当前温度下的实际晶振频率与预期的标准频率的晶振频率进行比较，再通过算术运算即可得出需要截波的数量。然后修正算法电路42对输入的晶振电路13的晶振频率进行截波修正，直到输出预期的标准频率的晶振频率。

鉴于截波电路的具体结构以及怎样通过截波来降低一个信号的频率是本领域技术人员应当知道的现有技术，本说明书中不再对截波电路及原理做详细说明。

本发明温度补偿振荡器1还设置有一个电源管理电路11用来控制温度补偿电路14的工作时间以减少芯片耗能。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (15)

1.一种温补振荡器，其包括温度计电路、晶振电路以及温度补偿电路；其特征在于：所述温度计电路输出数字温度至温度补偿电路，晶振电路输出晶振频率信号至温度补偿电路，温度补偿电路根据温度计电路输出的数字温度T，由公式f(T)＝aT²+bT+c计算在温度T时晶振电路输出的晶振频率信号的频率，其中a、b、c为常数系数，并利用截波法修正晶振电路输入的晶振频率信号至预设的标准频率。

2.如权利要求1所述的温补振荡器，其特征在于：前述温度补偿电路包括存储单元以及修正算法电路，存储单元用于存储前述常数系数a、b、c，修正算法电路计算在温度T时晶振电路输出的晶振频率信号的频率，并修正晶振电路输入的晶振频率信号至预设的标准频率。

3.如权利要求2所述的温补振荡器，其特征在于：前述系数a、b、c可通过在连续温度变化过程中，测量三个点的温度输出和频率漂移，根据这三个点的数据由前述公式求出数值a、b、c。

4.如权利要求2所述的温补振荡器，其特征在于：前述修正算法电路计算出在温度T时晶振电路输出的晶振频率信号的频率后，将在温度T时晶振电路输出的晶振频率信号的频率与预设的标准频率比较，确定需要截波的数量，然后通过截波法修正晶振电路输入的晶振频率信号至预设的标准频率。

5.如权利要求1所述的温补振荡器，其特征在于：前述温度计电路包括提供基准电流的带隙基准电路、电压采集电路、放大电路、模数转换电路以及滤波电路，带隙基准电路提供电流给电压采集电路，前述电压采集电路包括两条并联支路，其中一条支路采集一个电压，另一条支路采集另一个电压，两条支路采集的电压输入放大电路进行差分放大，放大电路的输出电压经过模数转换电路和滤波电路之后可输出一个数字温度所述电压采集电路的一条支路包括至少一个节点电压随温度变化而对应成比例变化的二极管。

6.如权利要求5所述的温补振荡器，其特征在于：前述带隙基准电路为不需要温度补偿的高电源电压抑制比的电流镜，前述模数转换电路为∑-Δ模数转换器。

7.如权利要求6所述的温补振荡器，其特征在于：前述模数转换器的比较器位数为三位，前述模数转换器的输入信号峰值为积分放大器满幅输出的1/8。

8.如权利要求5所述的温补振荡器，其特征在于：前述滤波电路为梳状滤波器。

9.如权利要求1所述的温补振荡器，其特征在于：其还包括控制温度补偿电路工作时间以减少芯片耗能的电源管理电路。

10.一种对晶体振荡器进行温度补偿的方法，其包括如下步骤：

利用数字温度计电路测量当前温度；

通过公式f(T)＝aT²+bT+c计算在温度T时晶振电路输出的晶振频率信号的频率，其中a、b、c为常数系数；

计算在温度T时晶振电路输出的晶振频率信号的频率与预期的标准频率的差值确定需要截波数量；

通过截波法降低在温度T时晶振电路输出的晶振频率信号的频率至预期的标准频率。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：前述数字温度计电路包括提供基准电流的带隙基准电路、电压采集电路、放大电路、模数转换电路以及滤波电路，带隙基准电路提供电流给电压采集电路，前述电压采集电路包括两条并联支路，其中一条支路采集一个电压，另一条支路采集另一个电压，两条支路采集的电压输入放大电路进行差分放大，放大电路的输出电压经过模数转换电路和滤波电路之后可输出一个数字温度，所述电压采集电路的一条支路包括至少一个节点电压随温度变化而对应成比例变化的二极管。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于：前述系数a、b、c可通过在连续温度变化过程中，测量三个点的温度输出和频率漂移，根据这三个点的数据由前述公式求出数值a、b、c。

13.一种确定晶体振荡器实际输出频率的方法，其包括：

利用数字温度计电路测量晶体振荡器的当前温度T；

通过公式f(T)＝aT²+bT+c计算晶体振荡器的实际输出频率f(T)，其中a、b、c为该晶体振荡器的常数系数。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于：前述计算晶振频率的步骤是通过一个温度补偿电路实现，前述系数a、b、c可以预置于温度补偿电路的一个存储单元中。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于：a、b、c的获取方法包括：

在至少三个离散测量温度下分别测量得出晶体振荡器的至少三个实际输出频率；

将三个测量温度和测量得到的三个实际输出频率分别代入公式f(T)＝aT²+bT+c以得到三个以a、b、c为未知数的代数式；

根据三个以a、b、c为未知数的代数式求解得出a、b、c的值。

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