CN104823377A - 温度稳定lc振荡器及温度零位相位处的振荡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在实质上等于温度零位相位的相位处产生槽路振荡的LC振荡器槽路。所述振荡器进一步包含耦合到所述LC振荡器槽路以致使所述LC振荡器槽路在所述温度零位相位处操作的频率稳定器电路。在本发明的一个方面中，反馈环路可将所述LC槽路的输出电压分割成具有不同相位的两个电压，其中每一电压独立地变换为穿过可编程跨导器的电流。所述两个电流可经组合以形成所得电流，所述所得电流接着施加到所述LC槽路。所述所得电流的相位使得所述LC槽路在实现跨温度的频率稳定性的阻抗条件下操作。

Description

温度稳定LC振荡器及温度零位相位处的振荡的方法

技术领域

本发明一般来说涉及利用LC槽路温度零位现象来使振荡器输出频率的变化最小化的高度稳定电感器-电容器(LC)振荡器。

背景技术

电子时钟产生传统地依赖于基于外部晶体的参考振荡器，所述参考振荡器任选地经乘法运算及/或经除法运算以产生所需时钟。时钟的关键指标(其目标频率除外)是频率准确性及稳定性。频率准确性是用以跨越供电及温度而维持目标频率的能力且通常表示为呈百分比或百万分率(ppm)的与目标频率的偏差。长期稳定性受振荡器的近载波相位噪声影响。使用高Q元素的振荡器通常具有低相位噪声分布曲线及因此良好的频率稳定性，且对相依于供电及温度的振荡器放大器增益的变化较不敏感。

举例来说，晶体振荡器(XO)是提供由晶体的极高质量因子(Q)造成的跨供电及温度的卓越频率稳定性及频率准确性的高Q振荡器。然而，并非所有共振器(包含晶体)均具有令人满意的跨温度性能，因此需要用以降低及/或补偿频率中由温度所致的移位的额外电路及技术。温度经补偿的晶体振荡器(TCXO)通常并入有具有温度相依性的额外装置以抵消晶体的温度相依性。总体结果是具有低温度相依性的振荡频率。

然而，由于以较小大小及以较低成本支持多个标准、增加的功能性、较高数据速率及增加的存储器的要求所致的电子系统的不断增加的复杂性正促使设计者通过以深亚微米互补MOS(CMOS)技术来开发单芯片系统(SoC)而增加集成水平以受益于增加的门密度。并入有晶体振荡器的参考时钟由于晶体的笨重性质而尚未实现缩放或集成，因此限制了对于电子系统可能的大小及成本减小。

使用高Q MEMS共振器及薄膜体声共振器(FBAR)的近期成果已图解说明将高Q元素及专用集成电路(ASIC)集成于同一封装中的可能性。然而，封装诱发的应力及其对性能的影响仍存留为具挑战性障碍，这是因为高Q元素可需要对于SoC不实际的特殊封装及/或校准。所述应力可改变共振器的温度行为，从而可能导致大频率移位及加速老化。因此，特殊组装及封装技术为减轻此些效应通常所需的，此增加产生此些时钟的成本。任何共振器均可能遇到类似问题，此取决于共振器材料的机械性质，其需要仔细设计及制造工艺及过程。

不需要优越频率准确性及稳定性的应用(例如USB及SATA)的设计要求可使用具有在CMOS过程中可获得的相对低Q元素的振荡器而满足，所述低Q元素可具有产生良好抖动性能的充分相位噪声分布曲线。当前实验包含使用环形振荡器、张弛振荡器及LC振荡器。然而，这些实施方案的所报告频率准确性具有跨供电及温度的大偏差，从而使得其对于需要精确准确性及稳定性的应用为无效的。用以减小跨温度的偏差的减轻需要跨温度的修整，此既非成本有效的也非对于SoC实际可行的。

因此，依赖于CMOS技术中的现有最优过程步骤且满足频率稳定性及抖动要求的集成解决方案将具有极大价值。以引用的方式并入本文中的美国专利8,072,281中已描述在槽路温度零位相位处操作以实现高度稳定输出频率的LC槽路振荡器。本文中所描述的技术及电路包含利用温度零位相位的改进及扩展。

发明内容

本发明提供实质上与温度无关的基于LC的振荡器。所述振荡器包含LC振荡器槽路及频率稳定器电路，所述频率稳定器电路耦合到所述LC振荡器槽路以致使所述LC振荡器槽路在温度零位相位处操作，从而在实质上等于温度零位相位的相位处产生槽路振荡。所述温度零位相位是所述LC振荡器槽路的在其处所述振荡器的输出振荡的频率随温度改变的变化被降低或最小化的相位。

举例来说，反馈环路可将LC槽路的输出电压分割成具有不同相位的两个电压，其中每一电压独立地变换为穿过可编程跨导器的电流。所述两个电流可经组合以形成所得电流，所述所得电流接着被施加到所述LC槽路。所述所得电流的相位经调整使得所述LC槽路在实现跨温度的频率稳定性的阻抗条件下操作。

可连续监视或感测LC槽路的输出电压的振幅，且可实质上彼此独立地调整可编程跨导器。振幅感测可通过在反馈环路中包含与两个电压变换电路并联的自动振幅控制(AAC)电路而实现。

在本发明的另一方面中，对两个电压中的每一者进行滤波。在本发明的一个方面中，对第一电压进行低通滤波。在本发明的另一方面中，对第二电压进行高通滤波。在本发明的又一方面中，包含高通滤波器的路径包含相位反相电路。

附图说明

图1是图解说明示范性LC振荡器槽路的电路图。

图2图解说明示范性LC振荡器槽路的相位图。

图3图解说明在零相位处操作的LC振荡器槽路的跨温度的振荡频率。

图4图解说明示范性LC振荡器槽路的温度零位相位。

图5图解说明在于温度零位相位处操作时跨温度的频率偏离。

图6图解说明在槽路温度零位相位处操作的振荡器。

图7A图解说明在槽路温度零位相位处操作的另一振荡器。

图7B图解说明图7A的电路的信号的相量图。

图8A是包含使用一阶低通滤波器及高通滤波器在温度零位相位处操作的槽路的振荡器的图式。

图8B是图8A的设备中的信号的相量图。

具体实施方式

现在参考图1，在构建振荡器中所使用的LC振荡器槽路电路10由电感(电感性元件)L及电容(电容性元件)C的源构成。LC振荡器槽路电路10中的电感性元件L及电容性元件C可由各种类型的共振器及无源元件构成，例如但不限于：芯片上集成电感器、接合线、金属-绝缘体-金属(MiM)电容器、金属指状电容器、金属氧化物半导体(MOS)电容器、陶瓷共振器、微机电系统(MEMS)音叉共振器、MEMS酒杯共振器、基于MEMS的共振器、表面声波(SAW)及体声波(BAW)装置。

由于具有有限质量因子Q的物理限制，因此理想纯电感器或电容器的实施方案通常是不可能的。当与MEMS共振器及晶体进行比较时，迄今为止的CMOS技术中的集成电感器具有低Q因子。电感器中的损失的来源包含电感器金属欧姆损失r_L及衬底电阻性损失r_SUB-这两种损失通常是温度相依的，且因此电感器的总体阻抗及Q是温度相依的。

槽路的集成电容性部分还具有有限温度相依Q以及电容值的温度相依性。因此，集成LC槽路的物理实施方案将指定槽路的阻抗及Q因子的强温度相依性，此产生温度相依槽路共振频率。

使用LC振荡器槽路10构建的振荡器通常包含负责克服槽路损失的放大器。为使振荡器具有持续振荡，巴克豪森(Barkhausen)准则需要大于1的开环增益及等于零的相位。假设放大器贡献零相位，那么为使振荡发生，LC振荡器槽路阻抗Z_Tank必须具有零相位。所述相位条件用于导出如下振荡频率ω_osc：

       $Z_{\mathrm{Tank}}=\frac{r_L+\mathrm{j\ωL}}{1+\mathrm{j\ω}{r}_{L}C-{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{LC}}$          方程式1

               方程式2

      的振荡条件导致：

       ${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{osc}}={\mathrm{\ω}}_0\sqrt{1-\frac{r_L^{2}C}{L}},$ 其中 ${\mathrm{\ω}}_o=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}$              方程式3

依据以上方程式1-3，可见，如果r_L是温度相依的，那么振荡频率是温度相依的。r_L随温度的线性变化导致振荡频率的差不多线性变化。另外，C中的任何温度变化将极大地贡献于温度相依性。

此以图表方式展示于图2中，其中关于槽路针对不同温度标绘的由L、r_L及C构成，其中r_L的线性温度相依性定义为：

r_L＝r_o(1+α(T-T₀))           方程式4

其中α是r_L的温度系数。

应注意，使用与相位图的相交点来确定振荡频率。图3中标绘跨温度的对应振荡频率，其展示在零相位处操作的典型LC振荡器槽路中的8000ppm的强温度相依性。

再次细查图2中的相位图，由于槽路的质量因子随温度而改变，因此相位图随温度而改变。另外，在振荡频率下，在较低温度处存在较高Q，且因此在较低温度处看到较大负斜率。因此，随温度变化的相位图斜率导致这些图的相交。

当相交发生于相同相位处时，形成温度不敏感的槽路操作点，且槽路据称在具有相位的温度“零位”处操作。当跨温度的相位图精确地在相同相位处相交时，理想温度零位相位发生。跨越槽路具有理想地等于的相位的振荡导致跨温度具有零偏离的振荡频率。

较实际槽路展现跨温度具有小频率偏离的温度零位。此以图表方式图解说明于图4中，其中振荡条件为且标绘跨温度的对应振荡频率。如在图5中可见，在温度零位相位处操作振荡器导致具有低得多的温度相依性的振荡频率。举例来说，在图5中，频率偏差为仅290ppm。将此与图3中的零相位处的8000ppm频率偏差进行比较，温度零位相位处的振荡产生较稳定频率。

全局温度零位(GNull)可定义为导致跨温度范围T的最小频率偏离f的相位操作点其中振荡频率在温度内的极小或零改变在温度范围T₀的中心处。温度零位的质量的度量是跨温度的振荡频率偏离。槽路温度零位的优值(FOM)可定义为：

                方程式5

其中f_T0是T₀处的振荡频率。FOM的值越小，零位质量具有在FOM＝0处发生的完美零位越好。

局部温度零位(LNull)可定义为在的情况下的相位操作点或者，LNull可在温度T处定义为温度(T+δ)与(T-δ)的相位图的相交点，其中δ是无穷小的。

约温度T₀处的GNull振荡频率ω_GNull可通过找到温度T₀+ΔT与T₀-ΔT处的两个相位曲线的相交点而导出。对于具有r_L的线性温度相依性的LC振荡器槽路，GNull处的相位及频率如下：

       ${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{GNull}}={\mathrm{\ω}}_0\sqrt{1+\frac{C}{L}{r}_0^2(1-{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\Δ}{T}^2)}$           方程式6

且：

                方程式7

为迫使槽路在非零相位处振荡同时满足巴克豪森准则，与槽路相关联的有源电路必须提供与所述槽路相同的相位，但具有相反正负号。换句话说，如果槽路相位是那么有源电路必须提供相位图6中展示温度稳定振荡器的揭示内容的一个方面。此处，槽路10在相位处操作，同时总体电路20满足巴克豪森准则。槽路电压V_T施加到相移器块210，所述相移器块将相移添加到V_T，使得到跨导器220的输入电压为因此，在假设跨导器引入实质上小相移的情况下，跨导器220产生涉及槽路电压(V_T)的移位达相位的槽路电流(I_T)。因此，关于此环路中将满足的巴克豪森准则，槽路阻抗由以下方程式给出：

                   方程式8

在本发明的另一方面中，相移器块210引入的相位通过数字字进行编程以便尽可能接近槽路温度空值相位φ_GNULL。

图7A中展示本发明的另一方面，其中描述用以在槽路温度空值相位处操作的另一电路技术。将槽路AC(交流)电压信号V_T分割到两个路径中。第一路径穿过相移器210a且提供AC电压信号V_L。参考槽路电压V_T，将V_L的相位移位-θ_L且通过A_L缩放V_L的振幅。接着，将V_L用作到可编程跨导器220a的输入以产生电流I_L。第二路径穿过相移器210b且提供AC电压信号V_H。参考槽路电压V_T，将信号V_H的相位移位-θ_H且通过A_H缩放V_H的振幅。将V_H用作到可编程跨导器220b的输入以产生电流I_H。来自路径I_L及I_H两者的输出电流经加总以产生总槽路电流I_T。最后，AAC块300调整振荡器振幅水平，使得振荡器在临界振荡条件下操作，且跨导器220a及220b以其线性状态操作。此使振荡信号谐波含量及此含量对频率稳定性的影响最小化。

为理解如何从图7A中的设备获得温度零位相位φ_GNULL，不得不追踪图上表示的电压及电流信号的相位及振幅。图7B展示存在于图7a中的电压及电流信号的相量图。图7B中的相量由以下方程式表达：

V_T＝V_o∠0           方程式7A

V_H＝A_HV_o∠-θ_H          方程式7B

V_L＝A_LV_o∠-θ_L          方程式7C

I_H＝-gmhA_HV_o∠-θ_H           方程式7D

I_L＝-gmlA_LV_o∠-θ_L          方程式7E

                  方程式7F

通过直接求导，I_T与V_T之间的跨槽路阻抗(Z_Tank)的相移由以下方程式给出：

               方程式8

因此，可通过经由图7A中表示的数字控制字来调整两个可编程跨导器220a与220b之间的比率而准确地获得相位φ_GNULL。在一个实施例中，由两个相移器提供的相移θ_H及θ_L以及振幅比例因子A_H及A_L应实质上随温度保持恒定；否则，温度零位处的频率稳定性受其温度相依性影响。

在本发明的另一方面中，图7A的相移器210a通过如图8A中在块410a中所展示的一阶低通滤波器(LPF)而实现。所述LPF由电阻“R”及电容“C”组成。在本发明的又一方面中，图7A的相移器210b通过如图8A中所展示的一阶高通滤波器(HPF)410b及如块410c的反相级而实现。HPF 410b由电容“C”及电阻“R”组成。反相器410c提供对信号的180°相移。HPF的R及C两者的值实质上匹配LPF的R及C。图8B展示存在于图8a中的电压及电流信号的相量图。

如M.E.范瓦尔肯堡(M.E.Van Valkenburg)的“模拟滤波器设计(Analog FilterDesign)”(牛津大学出版社(Oxford University Press)，1995)中所描述，参考图8A，A_L、θ_L、A_H及θ_H由以下方程式表达：

       $A_L=\frac{1}{\sqrt{1+{\left(\mathrm{\ωRC}\right)}^2}}$             方程式9A

θ_L＝θ＝tan^-1(ωRC)            方程式9B

       $A_H=\frac{\mathrm{\ωRC}}{\sqrt{1+{\left(\mathrm{\ωRC}\right)}^2}}$             方程式9C

       ${\mathrm{\θ}}_H=\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\θ}$                方程式9D

此处，R及C分别是LPF及HPF两者中所使用的电阻及电容。此外，ω是在其处LPF及HPF正操作的角频率。对于振荡器的特定情形，ω是振荡频率。

图8A。图8A中的相量由以下关系式表达：

V_T＝V_o∠0            方程式10A

       $V_H=\frac{V_o\mathrm{\ωRC}}{\sqrt{1+{\left(\mathrm{\ωRC}\right)}^2}}\∠-(\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\θ})$          方程式10B

       $V_L=\frac{V_o}{\sqrt{1+{\left(\mathrm{\ωRC}\right)}^2}}\∠-\mathrm{\θ}$             方程式10C

       $I_H=\mathrm{gmh}{V}_o\frac{\mathrm{\ωRC}}{\sqrt{1+{\left(\mathrm{\ωRC}\right)}^2}}\∠(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\θ})$              方程式10D

       $I_L=\frac{\mathrm{gml}{V}_o}{\sqrt{1+{\left(\mathrm{\ωRC}\right)}^2}}\∠(\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})$              方程式10E

                  方程式10F

最后，I_T与V_T之间的跨槽路阻抗(Z_Tank)的相移由以下方程式给出：

              方程式11

因此，可通过经由图8A中表示的数字控制字来调整两个可编程跨导器gml与gmh之间的比率而准确地获得相位φ_GNULL。

R乘以C的乘积或时间常数RC必须实质上随温度保持恒定；否则，温度零位相位处的频率稳定性受RC时间常数的温度相依性影响。使时间常数RC相对温度稳定可使用不同技术进行。第一实例技术是获得R及C，使得其中的每一者相对温度是实质上稳定的。第二实例技术是获得其温度相依性实质上与C的温度相依性相反的R，及因此获得实质上稳定乘积RC时间常数。

如所属领域的技术人员将认识到，可在广泛的应用内修改及变化本申请案中所描述的创新概念。因此，专利标的物的范围不应限于所论述的特定示范性教示中的任一者，而是替代地由所附权利要求书定义。

Claims (16)

1.一种操作振荡器的方法，所述振荡器包括跨越其显现LC槽路电压的LC槽路及与所述LC槽路耦合成闭合环路的放大器，所述振荡器产生具有输出频率的输出信号，所述方法包括：

在所述闭合环路内，使所述LC槽路电压相移，从而致使跨越所述LC槽路显现预定阻抗角；

其中选择所述预定阻抗角使得由于温度变化所致的所述输出频率的变化得以减小或最小化。

2.一种振荡器电路，其包括：

LC槽路，跨越其显现LC槽路电压；

放大器，其中所述放大器与所述LC槽路耦合成闭合环路；且

在所述闭合环路内，相移器用于使所述LC槽路电压相移，从而致使跨越所述LC槽路显现预定阻抗角；

其中所述预定阻抗角经选择使得由于温度变化所致的输出频率的变化得以减小或最小化。

3.一种操作反馈振荡器电路的方法，所述反馈振荡器电路包括耦合成闭合环路的LC槽路及放大器电路，所述反馈振荡器电路产生具有振荡频率的输出信号，所述方法包括：

将第一相移及第二相移施加到所述LC槽路的输出电压以将所述输出电压分割成具有不同相位的第一电压及第二电压；

根据第一可编程跨导值将所述第一电压转换为第一电流；

根据第二可编程跨导值将所述第二电压转换为第二电流；

组合所述第一及第二电流以获得所得电流；及

将所述所得电流施加到所述LC槽路。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述所得电流将所述LC槽路设定为在所选择的阻抗条件下操作以便使频率跨温度稳定，所述阻抗条件具有相关联非零阻抗角。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一及第二电压的所述不同相位通过在所述闭合环路内产生非零相移而致使满足振荡条件，所述相移具有与LC槽路阻抗角的正负号相反的正负号。

6.根据权利要求3所述的方法，其包括：

感测所述LC槽路的所述输出电压的振幅；及

调整所述第一跨导值及所述第二跨导值以维持所述放大器电路的线性操作。

7.根据权利要求3所述的方法，其中通过执行低通滤波而获得所述第一相移。

8.根据权利要求3所述的方法，其中通过执行高通滤波、接着执行相位反相而获得所述第二相移。

9.一种反馈振荡器电路，其产生具有振荡频率的输出信号，所述反馈振荡器电路包括：

LC槽路；

用于将所述LC槽路的输出电压分割成具有不同相位的第一电压及第二电压的电路；

放大器电路，其与所述LC槽路耦合成闭合环路，包括：

用于根据第一可编程跨导值将所述第一电压转换为第一电流的电路；及

用于根据第二可编程跨导值将所述第二电压转换为第二电流的电路；及

用于组合所述第一及第二电流以获得所得电流并将所述所得电流施加到所述LC槽路的电路。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述所得电流将所述LC槽路设定为在所选择的阻抗条件下操作以便使频率跨温度稳定，所述阻抗条件具有相关联非零阻抗角。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述第一及第二电压的所述不同相位通过在所述闭合环路内产生非零相移而致使满足振荡条件，所述相移具有与LC槽路阻抗角的正负号相反的正负号。

12.根据权利要求9所述的设备，其包括自动振幅控制器，所述自动振幅控制器耦合到所述LC槽路以用于感测所述LC槽路的所述输出电压的振幅且调整所述第一跨导值及所述第二跨导值以维持所述放大器电路的线性操作。

14.根据权利要求9所述的设备，其中所述用于分割的电路包括耦合到所述LC槽路的第一相移器电路，其中所述第一电压是从所述第一相移器电路的输出信号导出。

15.根据权利要求14所述的设备，其中所述第一相移器电路包括低通滤波器。

16.根据权利要求14所述的设备，其中所述用于分割的电路包括耦合到所述LC槽路的第二相移器电路，其中所述第二电压是从所述第二相移器电路的输出信号导出。

17.根据权利要求16所述的设备，其中所述第二相移器电路包括后面接着相位反相器的高通滤波器。