CN102439844A - 振荡器 - Google Patents
振荡器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102439844A CN102439844A CN2011800018103A CN201180001810A CN102439844A CN 102439844 A CN102439844 A CN 102439844A CN 2011800018103 A CN2011800018103 A CN 2011800018103A CN 201180001810 A CN201180001810 A CN 201180001810A CN 102439844 A CN102439844 A CN 102439844A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- signal
- frequency
- oscillator
- output
- amplifier
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims abstract description 41
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 18
- 230000008676 import Effects 0.000 claims description 5
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 18
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 5
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 230000015654 memory Effects 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION, OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
- H03L5/00—Automatic control of voltage, current, or power
-
- 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
- H03B19/00—Generation of oscillations by non-regenerative frequency multiplication or division of a signal from a separate source
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION, OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
- H03L1/00—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply
- H03L1/02—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only
- H03L1/022—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only by indirect stabilisation, i.e. by generating an electrical correction signal which is a function of the temperature
- H03L1/026—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only by indirect stabilisation, i.e. by generating an electrical correction signal which is a function of the temperature by using a memory for digitally storing correction values
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION, OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
- H03L1/00—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply
- H03L1/02—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only
- H03L1/022—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only by indirect stabilisation, i.e. by generating an electrical correction signal which is a function of the temperature
- H03L1/027—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only by indirect stabilisation, i.e. by generating an electrical correction signal which is a function of the temperature by using frequency conversion means which is variable with temperature, e.g. mixer, frequency divider, pulse add/substract logic circuit
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION, OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
- H03L7/00—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
- H03L7/06—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
- H03L7/16—Indirect frequency synthesis, i.e. generating a desired one of a number of predetermined frequencies using a frequency- or phase-locked loop
- H03L7/18—Indirect frequency synthesis, i.e. generating a desired one of a number of predetermined frequencies using a frequency- or phase-locked loop using a frequency divider or counter in the loop
Landscapes
- Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
- Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
Abstract
本发明提供一种MEMS振荡器，包括：振荡部，该振荡部具备包括MEMS谐振器和放大器的反馈型振荡电路、和自动增益控制器，该自动增益控制器接收来自放大器的输出并基于该输出的电平按照将来自放大器的输出的电平确保为固定的方式控制放大器的增益，该振荡部将来自放大器的输出作为原振荡信号来输出；和修正部，输入原振荡信号，根据原振荡信号生成规定的设定频率的信号，并作为输出信号来输出，修正部从振荡部输入不同于原振荡信号的、包括与MEMS谐振器的增益相关的信息在内的信息信号，并基于信息信号修正原振荡信号的频率来生成规定的设定频率的信号，并作为输出信号来输出。
Description
技术领域
本发明的技术领域涉及振荡器，特别是涉及使用了MEMS谐振器的振荡器。
背景技术
现有技术中，在电子设备等中为了取得电路动作的时刻(取同步)而使用振荡器。对于电子设备而言，正确输出成为动作基准的电信号的振荡器是一种必不可少的器件。虽然使用了晶体振子的晶体振荡器是这种振荡器的一例，但是晶体振荡器中存在难以小型化、不适于集成化、试制工时数多、成品率不好、缴纳期需要时间等课题。因此，近年来，作为取代晶体振荡器的器件，使用了通过半导体工艺由硅等制成的微型机电系统(MEMS：Micro Electro-Mechanical Systems)的振荡器备受关注。
微型机电系统振荡器(以下称为“MEMS振荡器”)具备由放大电路和MEMS谐振器构成的反馈型振荡电路。MEMS谐振器具有如下特性：输入输出电极间的电通过特性仅相对具有特定频率、即MEMS振子的谐振频率(振子的固有振动数)附近频率的电信号才显著提高。在MEMS振荡器中，利用MEMS振子的这种特性而使来自放大电路的输出中包含的谐振频率的电信号反馈到放大电路，由此取得振荡状态。之后，MEMS振荡器将在振荡状态下从放大电路输出的电信号作为振荡信号来输出。因此，从MEMS振荡器输出的振荡信号的频率是基于MEMS振子的谐振频率确定的。
公知MEMS谐振器的谐振频率具有温度依赖性。MEMS谐振器一般由硅等形成，并且根据硅的温度特性使该谐振频率具有-20[ppm/℃]左右的温度特性。例如，如果工作温度在-20～+80℃之间变化100℃，则谐振频率变化2000[ppm]左右。因此，由于MEMS谐振器的工作温度发生变化，所以振荡信号的频率也发生变化。因而，在现有的MEMS振荡器中，在MEMS谐振器附近配备温度传感器，并基于温度传感器测量的温度来补偿因MEMS谐振器的谐振频率的温度依赖性引起的振荡信号的频率变动，从而输出不依存于温度的固定频率的电信号。
图21是现有的MEMS振荡器的框图。现有的MEMS振荡器300具有：振荡部301，输出原振荡信号；和修正部302，修正原振荡信号的频率，从而输出具有期望的频率的输出信号(参照专利文献1)。
在振荡部301中，由放大器312和MEMS谐振器313构成反馈型振荡电路，来自放大器312的输出被作为原振荡信号而取出后被输入到修正部302中。
当因温度变化等而导致MEMS谐振器313的谐振频率变动时，原振荡信号的频率也变动。在MEMS振荡器300中，通过修正部302补偿原振荡信号的频率的变动，从而将输出信号的频率确保为固定。
修正部302具备：PLL(Phase-Locked Loop)电路321、控制针对PLL电路321的反馈而设置的分频器(未图示)的分频比的分频比控制部322、和温度传感器1101。
分频比控制部322基于来自温度传感器1101的输入来调整针对PLL321的反馈而设置的分频器(未图示)的分频比，以使PLL321输出的输出信号的频率变为期望的值。更详细而言，分频比控制部322根据已知的MEMS谐振器313的谐振频率的温度特性、来自温度传感器1101的输入、以及预先设定的输出信号的频率，决定针对PLL321的反馈而配置的分频器(未图示)的分频比。
图22是上述MEMS谐振器300的侧面剖视图。如该图所示，MEMS谐振器313被封装成空气等不会影响振子的机械性振动，且振子的周围可确保真空状态。具有这种结构的MEMS谐振器313形成为独立于形成有放大部312和修正部302的第1芯片1301的第2芯片1302。温度传感器1101形成在第1芯片1301内的MEMS谐振器313附近。
并且，通过用金属线806连接与从第2芯片1302的封装表面延伸到电路表层的布线803相连的垫片(pad)804、和与第1芯片1301相连的垫片805，从而连接第1芯片1301和第2芯片1302，以纵向装载的方式进行安装。
如上所述，MEMS谐振器313的振子的周围处于真空状态。因此，振子与其外部之间的热传导性低。然而，第1芯片1301的温度传感器1101所测量的温度的时间变动与MEMS谐振器313的振子的实际温度的时间变动之间会产生差异。
图23是示意性表示温度传感器1101测量出的温度及MEMS谐振器313内部振子的实际温度随时间变化的例子的图。在温度传感器1101测量出的温度901如图那样变动的情况下，振子的实际温度902的变动是比温度901稍微有所延迟地跟踪温度901。因此，温度传感器1101测量出的温度901仅在期间D903、时刻T904、T905、T906这样非常有限的时刻与振子的实际温度902相一致，在其他时刻两者并不一致。换言之，在现有的MEMS振荡器300的结构中，基于振子的实际温度实时、正确地补偿MEMS谐振器313的谐振频率的温度依赖性来始终输出具有与期望的频率精确一致的频率的输出信号较为困难。
(现有技术文献)
(专利文献)
专利文献1：JP特表2007-518351号公报
专利文献2：JP特开2008-311884号公报
发明内容
本发明是鉴于上述现有技术中的问题而提出的，提供一种即便在MEMS谐振器的温度变动的情况下也能稳定工作的MEMS振荡器。
本发明的一个方式为一种MEMS振荡器，包括：振荡部，该振荡部具备包括MEMS谐振器和放大器的反馈型振荡电路、以及自动增益控制器，该自动增益控制器接收来自放大器的输出并基于该输出的电平按照将来自放大器的输出的电平确保为固定的方式控制放大器的增益，该振荡部将来自放大器的输出作为原振荡信号来输出；和修正部，输入原振荡信号，根据原振荡信号生成规定的设定频率的信号，并作为输出信号来输出，修正部从振荡部输入不同于原振荡信号的、包括与MEMS谐振器的谐振频率下的增益具有对应关系的信号在内的信息信号，且基于信息信号修正原振荡信号的频率来生成规定的设定频率的信号，并作为输出信号来输出。
也可以在该方式中，修正部具备：频率合成器，具有能够以可变方式控制分频比的可编程分频器；和分频比控制部，控制可编程分频器的分频比，分频比控制部基于信息信号控制可编程分频器的分频比，频率合成器输入原振荡信号并根据原振荡信号生成规定的设定频率的信号，并作为输出信号来输出。
在该方式中，信息信号也可以是从MEMS谐振器反馈到放大器的反馈信号。
在该方式中，信息信号也可以是用于控制自动增益控制器输出的放大器的增益的控制信号。
也可以在该方式中，自动增益控制器具备：峰值保持电路，输入原振荡信号，并检测原振荡信号的峰值电压；和比较器，比较所述检测所涉及的峰值电压和规定的基准电压，并输出表示该比较结果的信号，自动增益控制器将表示比较结果信号作为控制信号来输出，从而控制放大器的增益。
在该方式中，修正部也可以还具备第2分频器，该第2分频器输入原振荡信号，并将该原振荡信号分频后输出给频率合成器。
在该方式中，第2分频器也可以是第2可编程分频器。此时，分频比控制部也可以基于信息信号来控制第2可编程分频器的分频比。
在该方式中，修正部也可以还具备倍频器，该倍频器输入原振荡信号，并将该原振荡信号倍频后输出给频率合成器。
在该方式中，倍频器也可以是可编程倍频器。此时，分频比控制部也可以基于信号信息控制可编程倍频器的倍频比。
(发明效果)
本实施方式的MEMS振荡器即便在MEMS谐振器的温度变动的情况下，也能够稳定地输出具有期望频率的电信号。
附图说明
图1是实施方式1的MEMS振荡器的框图。
图2是MEMS谐振器的输出的频率特性的图。
图3是自动增益控制器的框图。
图4是频率合成器的框图。
图5是MEMS谐振器的谐振频率的温度特性的图。
图6是MEMS谐振器的输出的温度特性的图。
图7是MEMS谐振器的输出的频率特性的图。
图8是MEMS谐振器的输出电压的温度特性的图。
图9是分频比控制部的框图。
图10是分频比控制部的另一例的框图。
图11是MEMS谐振器的输出的温度特性的图。
图12是MEMS谐振器的输出的频率特性的图。
图13是MEMS谐振器的输出电压的温度特性的图。
图14是实施方式2的MEMS振荡器的框图。
图15是表示MEMS谐振器的输出与放大器的输出之间关系的图。
图16是表示MEMS谐振器的输出与放大器的输出之间关系的图。
图17是修正部的变形例的框图。
图18是修正部的变形例的框图。
图19是实施方式1的MEMS振荡器的变形例的框图。
图20是实施方式2的MEMS振荡器的变形例的框图。
图21是现有的MEMS振荡器的框图。
图22是现有的MEMS振荡器的侧面剖视图。
图23是表示温度传感器测量的温度变动与振子的实际温度变动之间关系的图。
具体实施方式
下面，详细说明实施方式。
本实施方式的MEMS振荡器具有：振荡部，其具备反馈型振荡电路，该反馈型振荡电路由MEMS谐振器、放大器、控制放大器的增益来确保来自放大器的输出固定的自动增益控制器构成；和修正部，根据从振荡部输出的原振荡信号生成并输出期望频率的输出信号。
本实施方式的MEMS振荡器的修正部具备：PLL频率合成器，输入原振荡信号并输出输出信号；和分频比控制部，基于MEMS谐振器的增益，控制针对PLL频率合成器的反馈而配置的可编程分频器的分频比。如后述，由于MEMS谐振器的增益的大小具有与谐振频率同样的温度依赖性，且随着温度变化而单调变化，因此可从该增益的大小获知此时的MEMS谐振器的谐振频率。因此，在修正部中，基于MEMS谐振器的增益的大小控制可编程分频器的分频比，并将来自频率合成器的输出信号的频率确保为期望的频率。
另外，分频比控制部接收从MEMS谐振器向放大器反馈的信号，并从该信号的电平中取得MEMS谐振器的增益。或者，分频比控制部接收从自动增益控制器输出的、用于按照将来自放大器的输出的电平确保为固定的方式控制放大器的增益的控制信号(限幅信号)，并根据该限幅信号取得MEMS谐振器的增益。
根据这样的构成，本实施方式的MEMS振荡器可以很好地修正因MEMS谐振器的谐振频率的温度依赖性引起的原振荡信号的频率的变动，并输出固定的期望频率的输出信号。
(实施方式1)
1.MEMS振荡器的结构
图1是实施方式1涉及的MEMS振荡器的框图。MEMS振荡器100具有：输出原振荡信号的振荡部1、接收原振荡信号后输出具有期望频率的输出信号的修正部2。
振荡部1包括：自动增益控制器11、在自动增益控制器11的控制下将输入信号(振荡部反馈信号)放大至固定电平(电压)后输出的放大器12、接收来自放大器12的输出并向放大器12返回振荡部反馈信号的MEMS谐振器13。
自动增益控制器11输入来自放大器12的输出，并控制放大器12的增益，以使将放大器12的输出的电平确保为固定。这里，将在该控制中用到的控制信号称为限幅信号。放大器12接收来自MEMS谐振器13的反馈信号，并在基于从自动增益控制器11输入的限幅信号的增益控制下，放大反馈信号后输出。来自放大器12的输出(原振荡信号)被传送到自动增益控制器11、修正部2、MEMS谐振器13。MEMS谐振器13接收来自放大器12的输出，并输出反馈信号。另外，在可能会与流经后述的修正部2的频率合成器21的反馈电路的反馈信号混淆的情况下，将从MEMS谐振器13向放大器12反馈的反馈信号特别称为振荡部反馈信号。
2.MEMS振荡器的动作
2.1振荡部的动作
图2是表示MEMS谐振器13的输入输出电极间的电通过特性(单体通过特性)的曲线图。在该图中，横抽表示频率，纵轴表示衰减量(MEMS谐振器增益)。MEMS谐振器13在接收到适当电平的输入的情况下，表示相对于谐振频率f呈左右对称的通过特性401。但是，在MEMS谐振器13接收到过大电平的输入的情况下，如通过特性402那样表示歪曲的通过特性。如果MEMS谐振器13接收这种过大电平的输入，则随着MEMS谐振器13的谐振频率的变化而变得不稳定。并且，Q值也会劣化，根据情况的不同，构成MEMS谐振器13的振子会与隔着间隙相邻的激励电极相接触，从而MEMS谐振器13会被破坏。因此，为了避免向MEMS谐振器13输入过大电平的信号，自动增益控制器11控制放大器12的增益，以使放大器12的输出对于MEMS谐振器13而言成为适当电平，并将放大器12的输出确保为规定电平。另外，作为向MEMS谐振器13的输入，适当的电平是根据MEMS谐振器13的谐振模式、构成MEMS谐振器13的振子与激励电极之间的间隙间隔、向振子和/或激励电极施加的偏置电压等决定的，一般，大致是几十～几百毫伏左右。
图3是表示自动增益控制器11的详细结构的框图。自动增益控制器(AGC：Automatic Gain Controller)11输入来自放大器12的输出、即原振荡信号，并利用峰值保持电路111检测原振荡信号的最大电平(峰值电压)。另外，在自动增益控制器11中，从基准电压源(未图示)经由基准电压输入端子112输入了基准电压。峰值电压和基准电压被输入到比较器113中，比较器113比较这两个电压，在峰值电压比基准电压低的情况下输出限幅信号“Low”，相反地，在峰值电压比基准电压高的情况下，输出限幅信号“High”。
自动增益控制器11输出的限幅信号例如被输入到与放大器12的输出端子并联配置的MOS(Metal Oxide Semiconductor)晶体管的栅极。如果该栅极输入限幅信号“Low”，则并联电阻变小，放大器12的增益上升，相反地，如果该栅极输入限幅信号“High”，则并联电阻变大，放大器12的增益下降。这样，自动增益控制器11基于基准电压，实时控制来自放大器12的输出的电平。由此，来自放大器12的输出(向MEMS谐振器13的输入)的电平始终确保在适当电平上，以确保MEMS谐振器13的正常动作。
另外，作为自动增益控制器11的结构例，举出了由峰值保持电路111及比较器113构成的电路，但是这只是一个例子，自动增益控制器11的结构并不限定于此。只要是能够按照使来自放大器12的输出的电平(电压)保持固定的方式控制放大器12的增益的电路，都可以用作自动增益控制器11。例如，也可以是作为限幅信号而具体指定放大器12的增益的值来控制放大器12的电路。
2.2修正部的动作(原振荡信号的频率修正)
图4是表示修正部2的频率合成器21的详细结构的框图。频率合成器21是PLL频率合成器。在频率合成器21中，首先，相位比较器21检测从振荡部1输入的原振荡信号与从VCO(Voltage Controlled Oscillator)213经可编程分频器214反馈的反馈信号(PLL反馈信号)的相位差，并将检测出的相位差作为误差信号来输出给环路滤波器212。环路滤波器212去除误差信号中所包含的不必要的短周期(高频)的变动成分，并作为修正信号而输出给VCO213中。VCO213根据输入的修正信号的电平(电压)控制输出信号的频率，并输出与修正信号的电平相对应的频率的输出信号。
2.2.1.可编程分频器的分频比的控制
可编程分频器214是根据来自外部的控制能以可变的方式设定该分频比的分频器。在修正部2中，可编程分频器214的分频比是根据分频比控制部22输出的分频比控制信号进行设定的。以下，说明如下的动作：分频比控制部22接收MEMS谐振器13的振荡部反馈信号后，根据该振荡部反馈信号的电平(电压)的大小取得MEMS谐振器13的增益，并基于MEMS谐振器13的增益，控制可编程分频器214的分频比。
图5是表示MEMS谐振器13的谐振频率的温度特性的曲线图。这里所说的谐振频率与图2中的通过特性401下的峰值的频率f相对应。如该图所示，MEMS谐振器13的谐振频率具有-20[ppm/℃]左右的温度依赖性。由图可知，MEMS谐振器13的谐振频率随着温度上升而单调递减。另外，即便在谐振器的谐振频率随着温度上升而单调递增的情况下，也能应用本实施方式及下述实施方式2的MEMS振荡器。
图6是表示MEMS谐振器13的衰减量(MEMS谐振器增益)的温度特性的曲线图。如该图所示，MEMS谐振器13的衰减量也具有随着其温度上升而单调递减的温度特性404。
从图5及图6可导出MEMS谐振器13的谐振频率与增益之间的对应关系。图7是表示MEMS谐振器13的谐振频率与增益之间的对应关系的曲线图。在该图中，通过特性401H是温度T＝TH的MEMS谐振器13的通过特性。例如，如果MEMS谐振器13表示谐振频率fTH，则可知此时的MEMS谐振器13的增益为gTH。通过特性401M及L也相同，这里温度TH、TM、TL具有TH＞TM＞TL的关系。通过连接各温度下的谐振频率(fTH、fTM、fTL)以及未图示的其他温度下的谐振频率的增益，从而得到曲线403。曲线403是表示MEMS谐振器13的谐振频率与增益之间的对应关系的曲线。
另外，在振荡部1中，通过该自动增益控制器11的作用，来自放大器12的输出的电平始终确保为固定。由此，来自MEMS谐振器13的反馈信号的电平对应于MEMS谐振器13的增益。因而，来自MEMS谐振器13的反馈信号的电平表示图8所示的如曲线601这样的温度特性。例如，如果MEMS谐振器13的工作温度为TL，则输出包括具有电平(电压)VTL的频率fTL的频率成分的反馈信号，该频率成分的电平与反馈信号的峰值电压实质上一致。在其他温度下也是相同的。
如图1所示，分频比控制部22输入来自MEMS谐振器13的振荡部反馈信号(原振荡频率信息信号)，并检测该振荡部反馈信号的最大电平(峰值电压)，并基于该峰值电压和图7所示的谐振频率-增益的对应关系，导出该时刻的MEMS谐振器13的谐振频率。即，振荡部反馈信号(原振荡频率信息信号)是包括与MEMS谐振器13的增益相关的信息在内的信息信号。分频比控制部22根据该信息信号导出谐振频率。并且，根据导出的谐振频率和预先设定的输出信号的频率，决定应在可编程分频器214中设定的分频比，并向可编程分频器214输出分频比控制信号，该分频比控制信号用于将可编程分频器214的分频比设为该决定的分频比。
图9是表示分频比控制部22的例子的框图。信号生成部221输入原振荡频率信息信号(振荡部反馈信号)，并检测其峰值电压，参照保存了表示峰值电压与可编程分频器214的分频比之间的对应关系的表格的表格存储器222，决定应在可编程分频器214中设定的分频比。另外，分频比控制部22可以为了检测原振荡频率信息信号的峰值电压而具备峰值保持电路。
图10是表示分频比控制部22的另一例子的框图。信号生成部221输入原振荡频率信息信号(振荡部反馈信号)，并检测其峰值电压。之后，分频比运算部224将该检测出的峰值电压输入到近似了图7例示的MEMS谐振器13的谐振频率-增益的对应关系的函数中，计算出此时的MEMS谐振器13的谐振频率，并根据预先设定的输出信号的频率和计算出的MEMS谐振器13的谐振频率，计算应在可编程分频器214中设定的分频比。之后，信号生成部223将计算出的分频比作为分频比控制信号而输出给可编程分频器214。
3.实施方式1的小结
这样一来，本实施方式的MEMS振荡器100能够基于MEMS谐振器13的增益与谐振频率之间的对应关系，修正因温度变动等引起变动的原振荡信号的频率，并输出具有预先设定的频率的输出信号。本实施方式的MEMS振荡器100可以利用MEMS谐振器13自身产生的信号来实时地取得MEMS谐振器13的增益，并对原振荡信号的频率进行修正。即，MEMS谐振器13的增益(振荡部反馈信号的电平)可以用作与MEMS谐振器13的工作温度相关的信息。因而，在MEMS振荡器100中，根据MEMS谐振器13的增益求出工作温度，根据谐振频率的温度特性求出此时的MEMS谐振器13的谐振频率，并控制频率合成器21的动作，输出具有期望频率的输出信号。
因此，MEMS振荡器100不需要如现有结构中的温度传感器。因而，在MEMS振荡器100中，不会产生因温度传感器的测量温度和振子的实际工作温度之间的偏差引起的与输出信号的频率设定值的偏差。再者，MEMS振荡器100可以始终稳定地输出高品质的输出信号。
另外，即便是表示图11所示的增益的温度特性504的MEMS谐振器13，也可构成本实施方式的MEMS振荡器100。此时，如图12示出的曲线503所示，MEMS谐振器13的谐振频率-增益的对应关系是随着温度上升而单调递减的曲线。因而，来自MEMS谐振器13的振荡部反馈信号的电平随着温度变化，按照图13所示的曲线701那样产生变化。
此外，在本实施方式中，作为频率合成器21示出了使用模拟PLL电路的PLL频率合成器的结构，但是频率合成器21并不限定于模拟PLL电路，也可以利用数字PLL电路或全数字PLL电路构成。另外，频率合成器21也可以采用PLL电路以外的电路构成。
此外，本实施方式的PLL频率合成器21的可编程分频器214也可以利用整数型分频器或分数型分频器的任意一种来构成。
(实施方式2)
图14是实施方式2涉及的MEMS振荡器的框图。对于与实施方式1的MEMS振荡器100等同的结构要素赋予同样的参考符号，并适当省略其说明。
实施方式2涉及的MEMS振荡器200利用自动增益控制器11输出的限幅信号，作为原振荡频率信息信号。如上所述，限幅信号是用于控制放大器12来将其增益确保为固定的信号。
图15是沿着MEMS谐振器13的工作温度表示MEMS谐振器13的增益404和放大器12的增益405之间的关系的曲线图。这样，放大器12的增益405和MEMS谐振器13的增益404具有一一对应的对应关系。即，限幅信号(原振荡频率信息信号)是包括与MEMS谐振器13的谐振频率下的增益具有对应关系的信号在内的信息信号。因此，通过监控用于控制放大器12的增益的信号、即限幅信号，从而可取得MEMS谐振器13的增益。分频比控制部22输入限幅信号作为原振荡频率信息信号，并基于该信号检测MEMS谐振器13的增益，根据图7所示的MEMS谐振器13的谐振频率-增益的对应关系，导出此时的MEMS谐振器13的谐振频率。并且，与实施方式1同样地，分频比控制部22决定应在可编程分频器214中设定的分频比。
另外，即便是表示图16所示那样的增益的温度特性504的MEMS谐振器13，也可构成本实施方式的MEMS振荡器200。此时，MEMS谐振器13的增益与放大器12的增益之间的对应关系如该图所示的曲线505那样，成为随着温度上升而单调递减的曲线。
(修正部的第1变形例)
图17是表示可应用于MEMS振荡器100及200的修正部2的第1变形例的图。在本变形例中，在PLL频率合成器21的前级配置将原振荡信号的频率分频为1/R的分频器31。这样，利用分频器31将原振荡信号的频率分频之后输入给PLL频率合成器21，从而即便在原振荡信号的频率与输出信号的频率是相同程度的等级的情况下，也可对原振荡信号的频率进行精确的修正。此外，在该图中，如虚线所示，也可由第2可编程分频器构成分频器31，分频比控制部22控制分频器31的分频比。此时，修正部2在分频比控制部22的控制下，可以将原振荡信号的频率精确地修正为任意实数倍的频率。
(修正部的第2变形例)
图18是表示可应用于MEMS振荡器100及200的、修正部2的第2变形例的图。在本变形例中，在PLL频率合成器21的前级配置将原振荡信号的频率倍频R倍的倍频器32。这样，利用倍频器32将原振荡信号的频率倍频之后输入给PLL频率合成器21，从而即便在输出信号的频率比原振荡信号的频率小很多的情况下，也可对原振荡信号的频率进行精确的修正。此外，与变形例1同样地，如虚线所示，也可由可编程倍频器构成倍频器32，分频比控制部22控制倍频器32的倍频比。此时，修正部2在分频比控制部22的控制下，可以将原振荡信号的频率精确地修正为任意实数倍的频率。
另外，修正部2也可以在PLL频率合成器21的后级(输入VCO213的输出的一侧)进一步配备分频器或倍频器。
(实施方式1的MEMS振荡器的变形例)
图19是表示实施方式1的MEMS振荡器100的变形例的图。MEMS振荡器变形例1100在MEMS振荡器100结构的基础上还具有温度传感器1101。温度传感器1101的输出被输入到分频比控制部22中。
如图8所示，在规定温度T以下的温度区域602中，因温度变化引起的MEMS谐振器13的输出电平的变化比其他温度区域小。因而，在规定温度T以下，分频比控制部22也可利用温度传感器1101的输出来生成分频比控制信号。这样，MEMS振荡器100即便在因MEMS谐振器13的输出电平的温度变化引起的变动较小的温度区域中，也可稳定地输出高品质的输出信号。
另外，在MEMS谐振器13的输出电平随着温度上升而单调递增的情况(如图13的特性701所示的情况)下，在规定温度T’以上的温度区域702中，因温度变化引起的MEMS谐振器13的输出电平的变化比其他温度区域小。因而，在规定温度T’以上，分频比控制部22也可利用温度传感器1101的输出来生成分频比控制信号。
(实施方式2的MEMS振荡器的变形例)
图20是表示实施方式2的MEMS振荡器200的变形例的图。MEMS振荡器变形例1200在MEMS振荡器200结构的基础上还具有温度传感器1101。温度传感器1101的输出被输入到分频比控制部22中。
如图15所示，在规定的温度T”以下的温度区域406中，因温度变化引起的放大器12的增益的变化比其他温度区域小。因而，在规定温度T”以下，分频比控制部22也可利用温度传感器1101的输出来生成分频比控制信号。这样，MEMS振荡器1100即便在因放大器12的增益的温度变化引起的变动比较小的温度区域中，也可稳定地输出高品质的输出信号。
另外，在放大器12的增益随着温度上升而单调递减的情况(如图16的特性505所示的情况)下，在规定温度T”’以上的温度区域506中，因温度变化引起的放大器12的增益的变化比其他温度区域小。因而，在规定温度T”’以上，分频比控制部22也可利用温度传感器1101的输出来生成分频比控制信号。
(总结)
本实施方式的MEMS振荡器具有：振荡部，其具备反馈型振荡电路，该反馈型振荡电路由MEMS谐振器、放大器、按照将来自放大器的输出确保为固定的方式控制放大器的增益的自动增益控制器构成；和修正部，根据从振荡部输出的原振荡信号，生成并输出期望频率的输出信号。
修正部具备：频率合成器；和分频比控制部，基于MEMS谐振器的增益，控制针对频率合成器的反馈而配置的可编程分频器的分频比。分频比控制部基于MEMS谐振器的增益的大小，决定可编程分频器的分频比。与其谐振频率同样，MEMS谐振器的增益的大小具有温度依赖性，因温度变化而单调变化。由此，MEMS谐振器的谐振频率和增益的大小彼此具有可根据一方唯一地求出另一方的一一对应的对应关系。因此，根据MEMS谐振器的增益的大小，能够获知此时的谐振频率。分频比控制部接收MEMS谐振器的增益的时间变动，并基于该对应关系实时地控制可编程分频器的分频比。由此，原振荡信号的频率的时间变动被实时、准确地修正，从MEMS振荡器始终输出具有与期望频率相一致的频率的输出信号。
另外，分频比控制部接收从MEMS谐振器向放大器反馈的信号，并可根据该信号的电平取得MEMS谐振器的增益。这是因为，在振荡部中，通过自动增益控制器的作用，将来自放大器的输出始终确保为固定，因此MEMS谐振器的反馈信号的电平(电压)与MEMS谐振器的增益良好地对应。
此外，分频比控制部通过监控从自动增益控制器输出的、用于按照将来自放大器的输出的电平确保为固定的方式控制放大器的增益的控制信号(限幅信号)，从而可取得MEMS谐振器的增益。这是因为，在振荡部中，自动增益控制器输出限幅信号，以使将来自放大器的输出确保固定电平。由此，根据限幅信号，能获知从MEMS谐振器反馈给放大器的信号的电平(即，MEMS谐振器的增益)。
上述实施方式1及2的MEMS振荡器可以很好地修正因MEMS谐振器的谐振频率的温度依赖性引起的、原振荡信号的频率的变动，从而始终稳定地输出期望频率的输出信号。
(产业上的可利用性)
本实施方式的MEMS振荡器输出的输出信号具有始终稳定的频率，因此，例如在时钟产生器等用途中是很有用的。
符号说明
1 振荡部
2 修正部
11 自动增益控制器
12 放大器
13 MEMS谐振器
21 频率合成器
22 分频比控制部
111 峰值保持电路
112 基准电压输入端子
113 比较器
211 相位比较器
212 环路滤波器
213 电压控制振荡器
214 可编程分频器
221 信号生成部
222 表格存储器
223 信号生成部
224 分频比运算部
Claims (9)
1.一种微型机电系统振荡器，包括：
振荡部，该振荡部具备包括微型机电系统谐振器和放大器的反馈型振荡电路、以及自动增益控制器，该自动增益控制器接收来自所述放大器的输出并基于该输出的电平按照将来自所述放大器的输出的电平确保为固定的方式控制所述放大器的增益，所述振荡部将来自所述放大器的输出作为原振荡信号来输出；和
修正部，输入所述原振荡信号，根据所述原振荡信号生成规定的设定频率的信号，并作为输出信号来输出，
所述修正部从所述振荡部输入不同于所述原振荡信号的、包括与所述微型机电系统谐振器的谐振频率下的增益具有对应关系的信号在内的信息信号，并基于所述信息信号修正所述原振荡信号的频率来生成所述规定的设定频率的信号，并作为输出信号来输出。
2.根据权利要求1所述的微型机电系统振荡器，其中，
所述修正部具备：频率合成器，具有能够以可变方式控制分频比的可编程分频器；和分频比控制部，控制所述可编程分频器的分频比，
所述分频比控制部基于所述信息信号控制所述可编程分频器的分频比，所述频率合成器输入所述原振荡信号，且根据所述原振荡信号生成所述规定的设定频率的信号并作为输出信号来输出。
3.根据权利要求1所述的微型机电系统振荡器，其中，
所述信息信号是从所述微型机电系统谐振器反馈到所述放大器的反馈信号。
4.根据权利要求1所述的微型机电系统振荡器，其中，
所述信息信号是用于控制所述自动增益控制器输出的所述放大器的增益的控制信号。
5.根据权利要求1所述的微型机电系统振荡器，其中，
所述自动增益控制器具备：峰值保持电路，输入所述原振荡信号，并检测所述原振荡信号的峰值电压；和比较器，比较所述检测所涉及的峰值电压和规定的基准电压，并输出表示该比较结果的信号，
所述自动增益控制器将表示所述比较结果的信号作为所述控制信号来输出，从而控制所述放大器的增益。
6.根据权利要求2所述的微型机电系统振荡器，其中，
所述修正部还具备第2分频器，该第2分频器输入所述原振荡信号，并将该原振荡信号分频后输出给所述频率合成器。
7.根据权利要求6所述的微型机电系统振荡器，其中，
所述第2分频器是第2可编程分频器，
所述分频比控制部基于所述信息信号控制所述第2可编程分频器的分频比。
8.根据权利要求2所述的微型机电系统振荡器，其中，
所述修正部还具备倍频器，该倍频器输入所述原振荡信号，并将该原振荡信号倍频后输出给所述频率合成器。
9.根据权利要求8所述的微型机电系统振荡器，其中，
所述倍频器是可编程倍频器，
所述分频比控制部基于所述信号信息控制所述可编程倍频器的倍频比。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010177556 | 2010-08-06 | ||
| JP2010-177556 | 2010-08-06 | ||
| PCT/JP2011/001243 WO2012017572A1 (ja) | 2010-08-06 | 2011-03-03 | 発振器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102439844A true CN102439844A (zh) | 2012-05-02 |
| CN102439844B CN102439844B (zh) | 2015-02-11 |
Family
ID=45559098
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201180001810.3A Expired - Fee Related CN102439844B (zh) | 2010-08-06 | 2011-03-03 | 振荡器 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US8525605B2 (zh) |
| JP (1) | JP5086479B2 (zh) |
| CN (1) | CN102439844B (zh) |
| WO (1) | WO2012017572A1 (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107615647A (zh) * | 2015-04-09 | 2018-01-19 | 德克萨斯仪器股份有限公司 | 低功率低相位噪声的振荡器 |
| CN108075032A (zh) * | 2016-11-14 | 2018-05-25 | 横河电机株式会社 | 振动换能器 |
| CN113765516A (zh) * | 2021-09-10 | 2021-12-07 | 中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所 | 一种mems谐振器闭环控制方法及控制结构 |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8821009B2 (en) * | 2009-12-23 | 2014-09-02 | Intel Corporation | Thermal sensors having flexible substrates and use thereof |
| JP5204354B1 (ja) * | 2011-06-09 | 2013-06-05 | パナソニック株式会社 | 発振器 |
| US9523909B2 (en) | 2011-09-04 | 2016-12-20 | Maradin Technologies Ltd. | Apparatus and methods for locking resonating frequency of a miniature system |
| US8884711B2 (en) * | 2012-09-24 | 2014-11-11 | Invensense, Inc. | MEMS device oscillator loop with amplitude control |
| US8803622B1 (en) * | 2012-09-28 | 2014-08-12 | Integrated Device Technology, Inc | Microelectromechanical-based oscillators having adjustable gain amplifiers therein that support Q-factor control |
| US9621170B2 (en) * | 2013-08-13 | 2017-04-11 | Silicon Laboratories Inc. | Accurate frequency control using a MEMS-based oscillator |
| US9112448B2 (en) * | 2013-10-28 | 2015-08-18 | Qualcomm Incorporated | Ultra low-power high frequency crystal oscillator for real time clock applications |
| JP6350793B2 (ja) * | 2013-12-25 | 2018-07-04 | セイコーエプソン株式会社 | 発振回路、発振器、電子機器、移動体及び発振器の製造方法 |
| CN105375921A (zh) * | 2014-08-27 | 2016-03-02 | 硅谷实验室公司 | 使用基于mems的振荡器的准确频率控制 |
| US9866336B2 (en) * | 2015-06-17 | 2018-01-09 | Google Llc | Phased array antenna self-calibration |
| US10243518B2 (en) * | 2016-09-12 | 2019-03-26 | Avago Technologies International Sales Pte. Limited | Single input, dual output path low-noise amplifier |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1116017A (zh) * | 1993-10-29 | 1996-01-31 | 摩托罗拉公司 | 带有残余误差校正的分数n频率合成及其方法 |
| CN1277752A (zh) * | 1997-10-31 | 2000-12-20 | 艾利森电话股份有限公司 | 具有自动增益控制和片上调谐功能的晶体振荡器 |
| US6278338B1 (en) * | 2000-05-01 | 2001-08-21 | Silicon Wave Inc. | Crystal oscillator with peak detector amplitude control |
| US6741137B1 (en) * | 2002-12-17 | 2004-05-25 | Dialog Semiconductor Gmbh | High quality serial resonance oscillator |
| CN1902824A (zh) * | 2004-01-09 | 2007-01-24 | 罗伯特·博世有限公司 | 频率和/或相位补偿的微机电振荡器 |
| US20070257728A1 (en) * | 2006-05-03 | 2007-11-08 | Sitime Corporation | Microelectromechanical multi-stage oscillator |
| JP2008311884A (ja) * | 2007-06-14 | 2008-12-25 | Nec Corp | 発振周波数制御方法及び発振器 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06276088A (ja) * | 1993-03-24 | 1994-09-30 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | システム時計回路 |
| JP2001014057A (ja) * | 1999-07-02 | 2001-01-19 | Nec Yonezawa Ltd | 温度管理機能搭載クロックジェネレータ |
| JP2007208584A (ja) * | 2006-02-01 | 2007-08-16 | Ricoh Co Ltd | 周波数調整回路 |
| JP4811417B2 (ja) | 2008-02-14 | 2011-11-09 | パナソニック株式会社 | 受信装置及び電子機器 |
| JP2009200888A (ja) | 2008-02-22 | 2009-09-03 | Seiko Instruments Inc | Ｍｅｍｓ発振器 |
| US8044736B2 (en) * | 2008-04-29 | 2011-10-25 | Sand9, Inc. | Timing oscillators and related methods |
| JP4822139B2 (ja) * | 2008-08-04 | 2011-11-24 | セイコーエプソン株式会社 | 機器及び機器の製造方法 |
-
2011
- 2011-03-03 CN CN201180001810.3A patent/CN102439844B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2011-03-03 US US13/322,263 patent/US8525605B2/en active Active
- 2011-03-03 JP JP2011544742A patent/JP5086479B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 2011-03-03 WO PCT/JP2011/001243 patent/WO2012017572A1/ja active Application Filing
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1116017A (zh) * | 1993-10-29 | 1996-01-31 | 摩托罗拉公司 | 带有残余误差校正的分数n频率合成及其方法 |
| CN1277752A (zh) * | 1997-10-31 | 2000-12-20 | 艾利森电话股份有限公司 | 具有自动增益控制和片上调谐功能的晶体振荡器 |
| US6278338B1 (en) * | 2000-05-01 | 2001-08-21 | Silicon Wave Inc. | Crystal oscillator with peak detector amplitude control |
| US6741137B1 (en) * | 2002-12-17 | 2004-05-25 | Dialog Semiconductor Gmbh | High quality serial resonance oscillator |
| CN1902824A (zh) * | 2004-01-09 | 2007-01-24 | 罗伯特·博世有限公司 | 频率和/或相位补偿的微机电振荡器 |
| US20070257728A1 (en) * | 2006-05-03 | 2007-11-08 | Sitime Corporation | Microelectromechanical multi-stage oscillator |
| JP2008311884A (ja) * | 2007-06-14 | 2008-12-25 | Nec Corp | 発振周波数制御方法及び発振器 |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107615647A (zh) * | 2015-04-09 | 2018-01-19 | 德克萨斯仪器股份有限公司 | 低功率低相位噪声的振荡器 |
| CN108075032A (zh) * | 2016-11-14 | 2018-05-25 | 横河电机株式会社 | 振动换能器 |
| CN108075032B (zh) * | 2016-11-14 | 2022-12-20 | 横河电机株式会社 | 振动换能器 |
| CN113765516A (zh) * | 2021-09-10 | 2021-12-07 | 中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所 | 一种mems谐振器闭环控制方法及控制结构 |
| CN113765516B (zh) * | 2021-09-10 | 2024-01-12 | 中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所 | 一种mems谐振器闭环控制方法及控制结构 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPWO2012017572A1 (ja) | 2013-09-19 |
| US8525605B2 (en) | 2013-09-03 |
| WO2012017572A1 (ja) | 2012-02-09 |
| CN102439844B (zh) | 2015-02-11 |
| US20120182077A1 (en) | 2012-07-19 |
| JP5086479B2 (ja) | 2012-11-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102439844A (zh) | 振荡器 | |
| JP4368219B2 (ja) | 水晶発振器、発振方法及びヒータ | |
| CN102624381B (zh) | 振荡装置 | |
| JP6092540B2 (ja) | 水晶発振器 | |
| US10389370B2 (en) | Frequency calibration circuit and frequency calibration method | |
| US8536952B2 (en) | Oscillation device | |
| US7772931B2 (en) | Oscillator and a tuning method of a loop bandwidth of a phase-locked-loop | |
| TWI454043B (zh) | 振盪裝置 | |
| US20060202772A1 (en) | Temperature-compensated piezoelectric oscillator | |
| TWI684327B (zh) | 調整時脈訊號中之工作周期的裝置與方法 | |
| US8896386B2 (en) | Calibration device for oscillator and method thereof | |
| CN102931912A (zh) | 温度补偿型晶体振荡器 | |
| CN103701461A (zh) | 振荡装置 | |
| JP2013143601A (ja) | 発振装置 | |
| CN104467822A (zh) | 振荡装置 | |
| JP6033156B2 (ja) | 発振装置 | |
| JP5253318B2 (ja) | 発振装置 | |
| KR100795478B1 (ko) | 전압제어발진기 | |
| JP2015095099A (ja) | 温度制御装置及び発振装置 | |
| JP2011234104A (ja) | スペクトラム拡散クロック生成回路及びその制御方法 | |
| JP6339252B2 (ja) | 発振制御装置および発振装置 | |
| JP6191071B2 (ja) | 周波数制御回路、発振回路および発振器 | |
| JP2015119212A (ja) | 発振器 | |
| JP2014146958A (ja) | 水晶発振器 | |
| JP2002185312A (ja) | Ｐｌｌ圧電発振器の発振周波数調整方法および装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150211 |