CN102594260A - 基于寄生电容调节的高精度温度补偿mems振荡器 - Google Patents

Abstract

一种基于寄生电容调节的高精度温度补偿MEMS振荡器，包括：一MEMS谐振器；一低通滤波器的输入端与MEMS谐振器的输出端连接；一高增益反相器的输入端与低通滤波器的输出端连接；一窄脉冲发生器的输入端与高增益反相器的输出端连接，该窄脉冲发生器的输出端与MEMS谐振器输入端连接；一可控寄生电容包含三个端口，为输入端、输出端和控制端，其输入端与MEMS谐振器的输出端连接，输出端与地连接；一自动控制电路的输出端与可控寄生电容的控制端连接；一温度传感器的输出端与自动控制电路的输入端连接；一MEMS振荡器回路由一MEMS谐振器、一低通滤波器、一高增益反相器和一窄脉冲发生器连接成的闭合回路组成；一温度补偿电路结构由可控寄生电容、自动控制电路和温度传感器组成。

Description

基于寄生电容调节的高精度温度补偿MEMS振荡器

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别是一种基于寄生电容调节的高精度温度补偿MEMS振荡器。 

背景技术

随着微加工技术的发展，谐振式MEMS结构的制作越来越成熟，基于谐振式MEMS器件的振荡器开始大规模商用化。MEMS振荡器以其体积小，便于封装和集成，可靠性高，开始大规模占领传统的石英晶体振荡器市场。 

但是由于谐振式MEMS器件材料本身的参数受到温度的影响，其谐振频率会随温度发生漂移，所以MEMS振荡器同石英振荡器一样，也需要设计温度补偿电路。传统的石英晶体振荡器的温度补偿电路实现有两种方法，一种是通过改变与石英晶体串联的电容改变等效谐振结构的谐振频率进行频率补偿，称为TCXO；一种是利用恒温槽使晶体振荡器或石英晶体振子的温度保持恒定，称为OCXO。借鉴石英振荡电路的温度补偿原理，MEMS振荡器也可以采用类似的补偿电路结构，一种是调节串联电容，一种是控制振荡器工作温度来进行温度补偿。此外，因为MEMS振荡器通常工作在一个直流偏压下，而这个直流偏压的改变会影响MEMS谐振结构的谐振频率，也可以采用调节直流偏压的方式来实现温度补偿。 

通常采用的温度补偿方式是在MEMS谐振结构周围加上热阻丝，使得MEMS结构工作温度恒定在高于环境温度的温度，从而保证其工作频率的稳定。这种方式需要在MEMS结构的加工工艺上增加额外的淀积金属电阻的步骤，增加了工艺成本；而且需要持续加热，使温度保持在一个较高的水平，也增加了振荡器电路的功耗。 

现有大多数MEMS谐振结构需要工作在一个较大的直流偏压下，虽然 这个直流偏压并不消耗功耗，但是大直流电压的产生要采用电荷泵，增加了振荡器电路的面积负担，并且通过调节这个直流电压来进行频率补偿的电路设计难度较大。但是随着工艺和设计能力的进步，MEMS谐振结构的直流工作偏压逐渐降低，采用改变直流偏压进行温度补偿的电路已经在一些论文中出现。 

改变MEMS谐振结构的寄生电容虽然可以起到改变其谐振频率的目的，但是由于寄生电容的存在，严重影响了谐振器件的品质因数和相位噪声，减少寄生电容也是在制作MEMS谐振结构版图设计中要特别注意的因素，这种温度补偿方式迄今并没有被考虑。本发明设计的振荡器电路可以忽略寄生电容的影响，所以改变寄生电容进行温度补偿的方式在本发明中得到了实现。 

发明内容

本发明的目的在于，其是对基于MEMS谐振结构的振荡器进行频率随温度的补偿，简化温度补偿设计复杂度，提供高精度温度补偿方案，降低温补MEMS振荡器成本。 

本发明提供一种基于寄生电容调节的高精度温度补偿MEMS振荡器，包括： 

一MEMS谐振器； 

一低通滤波器，该低通滤波器的输入端与MEMS谐振器的输出端连接； 

一高增益反相器，该高增益反相器的输入端与低通滤波器的输出端连接； 

一窄脉冲发生器，该窄脉冲发生器的输入端与高增益反相器的输出端连接，该窄脉冲发生器的输出端与MEMS谐振器输入端连接，形成闭合回路； 

一可控寄生电容，该可控寄生电容包含三个端口，为输入端、输出端和控制端，该可控寄生电容的输入端与MEMS谐振器的输出端连接，输出端与地连接； 

一自动控制电路，该自动控制电路的输出端与可控寄生电容的控制端连接； 

一温度传感器，该温度传感器的输出端与自动控制电路的输入端连接； 

一MEMS振荡器回路，该MEMS振荡器回路由一MEMS谐振器、一低通滤波器、一高增益反相器和一窄脉冲发生器连接成的闭合回路组成； 

一温度补偿电路结构，该温度补偿电路结构由可控寄生电容、自动控制电路和温度传感器组成。 

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中： 

图1为本发明的带有温度补偿结构的MEMS振荡器电路结构图； 

图2为本发明采用的窄脉冲发生器电路结构图； 

图3为本发明采用的窄脉冲发生器各节点输出信号示意图； 

图4为本发明的自动制电路结构图。 

具体实施方式

请参阅图1至图4所示，本发明提供了一种基于寄生电容调节的高精度温度补偿MEMS振荡器，包括： 

一MEMS振荡器回路11，用来产生固定频率正弦信号； 

一温度补偿电路结构12，与MEMS振荡器回路11连接，通过给MEMS振荡器回路11中MEMS谐振器1的附加一个可控节寄生电容5，调节MEMS谐振器1的并联谐振频率，达到频率温度补偿的目的。 

其中MEMS振荡器回路11包含： 

一MEMS谐振器1，决定了MEMS振荡器回路11的工作频率； 

一低通滤波器2，该低通滤波器2的输入端与MEMS谐振器1的输出端连接，该低通滤波器2采用RC无源滤波器，截止频率为MEMS谐振器1频率的2-4倍，有效滤除通过谐振器的高频杂波分量，降低相位噪声； 

一高增益反相器3，该高增益反相器3的输入端与低通滤波器2的输出端连接，该高增益反相器3采用的直流增益大于MEMS谐振器1的插入损耗，-3dB带宽大于MEMS谐振器1谐振频率的两倍； 

一窄脉冲发生器4，该窄脉冲发生器4的输入端与高增益反相器3的输出端连接，该窄脉冲发生器4的输出端与MEMS谐振器1输入端连接，形成闭合回路，所述的窄脉冲发生器4采用的窄脉冲频率分量为MEMS谐振器1谐振频率的5-10倍，所述的高增益反相器3和窄脉冲发生器4中的有源管在一个振荡周期内，只有发生状态翻转时，才消耗能量，能耗小于现有的MEMS振荡器结构中的高频高增益的跨导放大器； 

其中温度补偿电路结构12包含： 

一可控寄生电容5，该可控寄生电容5的输入端与MEMS谐振器1的输出端连接，输出端与地连接，可控寄生电容5可以采用多种可变电容结构，包括变容二极管、CMOS开关阵列电容，或者MEMS可调节电容等等；可控寄生电容5与MEMS谐振器1的构成一个并联谐振电路，并联谐振频率受可控寄生电容5的电容值调节； 

一自动控制电路6，该自动控制电路6的输出端与可控寄生电容5的控制端连接，自动控制电路是根据MEMS谐振器1工作温度变化情况，输出一个控制信号，调节可控寄生电容5的电容值，从而补偿因为温度改变而变化的MEMS谐振器1的谐振频率； 

一温度传感器7，该温度传感器7的输出端与自动控制电路6的输入端连接，温度传感器7用来监测MEMS谐振器1的工作温度并实时通知自动控制电路6，一般温度传感器7与MEMS谐振器1制作在同一衬底上，或者二者之间通过导热性非常好的材料，比如金属相连。 

对于一个固定结构和尺寸的MEMS谐振结构，所用材料的杨氏模量随温度变化，其谐振频率是温度的函数。另外，受寄生电容的影响，MEMS谐振结构与寄生电容组成了一个并联谐振结构，该并联谐振结构的谐振频率是温度和寄生电容的函数f＝g(T，C_p)，其中T是环境温度，Cp是MEMS谐振结构的总寄生电容。如果设计的振荡器电路工作在并联谐振频率，就可以通过调整寄生电容的值，来抵消温度变化引起的频率漂移，也就是满足 

$\frac{\∂f}{\∂C_p}=\frac{\∂f}{\∂T},$

得到可控电容5应该随温度调节的公式C_p＝p(T)。 

自动控制电路6就是为了实现这样一个电容调节随温度变换的函数，这个函数可以采用模拟电路来近似实现，也可以采用数字电路实现。 

模拟电路利用微分、积分和比例电路进行加权、相乘等运算就可以得到与函数C_p＝p(T)近似的曲线。 

数字电路的实现通常采用查表法，其结构如图4所示。先测定在任意温度下，调节可控寄生电容5使谐振频率稳定到设定频率所需的控制电压值，将温度与控制电压的对应关系做成一个二维表，放入存储器中。利用温度传感器7得到当前谐振结构的工作温度，然后根据这个温度从存储器53中读取需要的控制电压值，利用数模转换器53生成控制电压，并将其送给可控寄生电容5进行MEMS谐振器1的频率补偿。 

窄脉冲发生器4的电路形式也可以有很多种，如采用雪崩二极管实现窄脉冲的触发，或者采用如图2所示的基于延时比较的窄脉冲发生器电路结构图。该窄脉冲发生器4包含：一二分频器31，该二分频器31的输入端为窄脉冲发生器4的输入端；一两相延时电路34，该两相延时电路34包含两路延时电路，其输入端与二分频器31的输出端连接；一异或门电路35，该异或门电路35两输入端分别与两相延时电路34的输出端连接，输出端为脉冲发生器4的输出端。 

两相延时电路34由两路信号延时组成，其中一路信号延时电路由反相器串联组成，另一路信号延时电路采用与前一路信号延时电路相同个数的反相器串联，并在反相器之间接一电容，调整反相器的充放电时间，来完成不同的时延。这样通过两相延时电路34得到的两路信号就具有不同的延时，将它们送入异或门33做比较后，就可以得到一组窄脉冲信号，如图3所示。由异或门33生成的窄脉冲信号，最高频率取决于电路采用的工艺情况，目前最先进的CMOS工艺可以提供截至频率几十GHz的MOS管，也就是说理论上该电路可以实现几十GHz的振荡器，但是由于负载驱动等的影响，其最高振荡频率只能到几个GHz。 

唯以上所述的，仅为本发明的一较佳实施例而已，当不能以之限定本发明实施的范围；即凡是依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应仍属本发明权利要求涵盖的范围内。 

Claims (11)

1.一种基于寄生电容调节的高精度温度补偿MEMS振荡器，包括：

一MEMS谐振器；

一低通滤波器，该低通滤波器的输入端与MEMS谐振器的输出端连接；

一高增益反相器，该高增益反相器的输入端与低通滤波器的输出端连接；

一窄脉冲发生器，该窄脉冲发生器的输入端与高增益反相器的输出端连接，该窄脉冲发生器的输出端与MEMS谐振器输入端连接，形成闭合回路；

一可控寄生电容，该可控寄生电容包含三个端口，为输入端、输出端和控制端，该可控寄生电容的输入端与MEMS谐振器的输出端连接，输出端与地连接；

一自动控制电路，该自动控制电路的输出端与可控寄生电容的控制端连接；

一温度传感器，该温度传感器的输出端与自动控制电路的输入端连接；

一MEMS振荡器回路，该MEMS振荡器回路由一MEMS谐振器、一低通滤波器、一高增益反相器和一窄脉冲发生器连接成的闭合回路组成；

一温度补偿电路结构，该温度补偿电路结构由可控寄生电容、自动控制电路和温度传感器组成。

2.根据权利要求1所述的基于寄生电容调节的高精度温度补偿MEMS振荡器，其中所述的MEMS谐振器采用MEMS谐振结构实现，依照采用的结构尺寸不同，其谐振频率范围覆盖几十赫兹到几GHz。

3.根据权利要求1所述的基于寄生电容调节的高精度温度补偿MEMS振荡器，其中所述的低通滤波器采用无源RC网络构成，其截止频率为MEMS谐振器谐振频率的2-4倍。

4.根据权利要求1所述的基于寄生电容调节的高精度温度补偿MEMS 振荡器，其中所述的高增益反相器-3dB带宽为MEMS谐振器谐振频率2倍以上，直流增益大于MEMS谐振器的插入损耗。

5.根据权利要求1所述的基于寄生电容调节的高精度温度补偿MEMS振荡器，其中所述的窄脉冲发生器包含：

一二分频器，该二分频器的输入端为窄脉冲发生器的输入端；

一两相延时电路，该两相延时电路包含两路延时电路，其输入端与二分频器的输出端连接；

一异或门电路，该异或门电路两输入端分别与两相延时电路的输出端连接，输出端为脉冲发生器的输出端。

6.根据权利要求5所述的基于寄生电容调节的高精度温度补偿MEMS振荡器，其中窄脉冲发生器中的两相延时电路包含的两路延时电路对信号的延时时间差为MEMS谐振器谐振周期的1/10到1/5。

7.根据权利要求1所述的，基于寄生电容调节的高精度温度补偿MEMS振荡器，其中所述的可控寄生电容的电容与MEMS谐振器组成并联谐振电路，其并联谐振频率受可控寄生电容的电容值调节。

8.根据权利要求1所述的基于寄生电容调节的高精度温度补偿MEMS振荡器，其中所述的可控寄生电容是采用CMOS开关电容阵列实现，以可以采用变容二级管，或者MEMS压控电容的方式实现。

9.根据权利要求1所述的基于寄生电容调节的高精度温度补偿MEMS振荡器，其中所述的自动控制电路是根据环境温度的变化，输出一个控制电压或电流，调节可控寄生电容的电容值，实现谐振频率随温度漂移的补偿。

10.根据权利要求1所述的基于寄生电容调节的高精度温度补偿MEMS振荡器，其中所述的温度传感器的检测温度为MEMS谐振器的温度，与MEMS谐振器制作在同一衬底上，或者通过导热性良好的材料相连。

11.根据权利要求1所述的基于寄生电容调节的高精度温度补偿MEMS振荡器，其中所述的自动控制电路是采用不同的温度到输出控制信号的转换方式，如曲线拟合法或查表法，转换方式决定了温度补偿的精度。 

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