CN106059497A - 温度补偿晶体振荡器的设计与其补偿电压产生及修调方法 - Google Patents

Abstract

温度补偿晶体振荡器的与其补偿电压产生及修调方法。温度补偿晶体振荡器。温度补偿晶体振荡器是，通过与温度相关的模拟补偿网络，补偿晶体振荡器由于温度引起的频率漂移，包括：温度传感器，一次、三次、四次、五次、六次和更高次电流产生电路，电流‑电压转换电路，修调电路，压控晶体振荡器电路。补偿电压修调方法是，一种直接通过外部数字控制内部模拟量，可对复杂温度信号进行调整、处理，提高其精确度，消除量化调节的新型晶体补偿电压修调控制方法。修调控制结构包括：运算放大器、可变电阻、普通电阻、开关管。可变电阻包括译码电路、开关管、电阻串。通过此方法能够修正由于晶体的工艺偏差和半导体制造技术引起的补偿电压失准，从而提高补偿的精度，制作高精度的温度补偿晶体振荡器。

Description

温度补偿晶体振荡器的设计与其补偿电压产生及修调方法

技术领域

本发明属于电子电路领域，具体涉及温度补偿晶体振荡器的设计和具体电路参数(电压、电流、电阻，电容)的修调。

背景技术

晶体振荡器是利用石英谐振器的压电特性，以石英谐振器作为选频网络制成的振荡器。晶体振荡器作为频率基准和频率源，广泛应用于消费电子、计算机、便携式电子设备、通信板卡等设备中。晶体振荡器为电子产品提供稳定的时钟频率，既是基础原件也是重要单元，其稳定度和精度对产品质量和性能具有重要影响。

由于石英谐振器本身拥有的温度特性，晶体振荡器的振荡频率会随着温度改变。晶体振荡器的温度补偿是指通过补偿网络进行补偿晶体谐振器的温度特性，在规定的温度范围内提高晶体振荡器的频率稳定度。温度补偿晶体振荡器不仅稳定度高，而且体积小，应用日益广泛，普遍应用于移动通信基站、手持雷达、测量设备、移动电话等诸多领域内。电子产品功能日益增多，体积日益减小，硬件功耗急剧降低，温度补偿晶体振荡器作为基础原件，也向着高精度、低功耗、微体积的方向发展。

石英谐振器的频率-温度特性与其自身的切角和形状相关，晶体振荡器的温度特性主要取决于石英谐振器的温度特性，因此未补偿的晶体振荡器的频率-温度特性与石英谐振器的频率-温度特性基本相同。其中AT切石英晶体谐振器的频率与温度呈三次方关系，这种温度的三次方特性相比于其他大多数晶体的抛物线温度特性，使得对晶体在宽温度范围内作温度的补偿变得更容易实现，在补偿后能达到非常高的稳定度和频率精确度，并且AT切晶体谐振器在室温范围下具有零温度系数，因此现代晶体温度补偿技术基本上都是针对采用AT切晶体谐振器制作的晶体振荡器。

现代补偿技术采用的是通过产生与温度呈三次方关系的补偿电压，并作为具有线性增益的电压控制晶体振荡器(VCXO)的输入，补偿晶体振荡器由于温度引起的频率漂移。根据补偿电压的产生可分为模拟补偿和数字补偿。数字温度补偿晶体振荡器(DTCXO)由六个部分组成，VCXO、A/D，D/A转换电路，温度传感器和PROM存储器这五个构成完整补偿回路，逻辑控制电路控制此五部分电路正常工作。它采用温度传感器数字化对片内存储器寻址，将PROM中读取相应的温度补偿数据送到D/A。由D/A生成的VC控制电压作为压控振荡器的控制电压，校准VCXO的振荡频率，使稳定在其标称频率f0周围。数字补偿的方式将带来很高的频率精确度，但由于数字的量化调节会带来潜在的相位跳变，并且存在的数字量化噪声也会引起晶体振荡器的相位噪声特性恶化，当DTCXO应用在数字通信系统，锁相环和相移键控系统中，相位噪声将带来错误检测。模拟补偿将会带来良好的低相位噪声特性，模拟补偿的方式有多种，传统的做法是采用热敏电阻网络作为补偿电压产生电路，但设计的电阻网络结构复杂，可重复性低，不利于调试和量产，且在宽温度范围内补偿的效果不理想。在制作石英谐振器时，由于工艺的误差，实际的石英谐振器的频率-温度特性与理想的频率-温度特性曲线产生偏差，对于补偿网络所生成的补偿电压需要进行调整，才能够确实补偿晶体振荡器的频率。

为了克服晶体振荡器设计的现有技术缺陷，本专利提出了设计新型的温度补偿晶体振荡器补偿电压修调的方法，并提出以此补偿电压修调方法所设计的集成化温度补偿晶体振荡器。通过在芯片内部采用数字模拟转换器，能够使所述的温度补偿晶体振荡器通过外部控制调整补偿电压，从而得到最佳补偿效果。

发明内容

本发明针对实际晶体受到工艺因素而改变其自身温度特性的缺陷，提供了一种直接通过外部数字控制内部模拟量，可对复杂温度信号进行调整、处理，提高其精确度，消除数字量化调节的新型晶体补偿电压修调控制方法。基于本专利所述补偿电压修调方法所设计的温度补偿晶体振荡器，其拥有相位噪声低，高频率稳定度和短期精确度高的特点。

本专利包括了利用前述的可修调方法所设计的温度补偿晶体振荡器。其中包括：温度传感器，一次、三次、四次、五次、六次和更高次补偿电流产生电路，补偿电压产生及修调电路，加法电路，电压控制晶体振荡器。温度传感器，能够实时检测晶体振荡器所处的当前温度，输出对应电压，温度与输出电压呈线性，且具有高的线性度，该输出电压作为高次电流产生电路的输入。高次电流产生电路，以温度传感器输出的线性电压为输入，能够产生与温度呈高次的电流输出。补偿电压产生和修调电路实现将高次电流转换为电压和修调功能。加法电路将各次项电压相叠加。电压控制晶体振荡器为利用石英谐振器所制作的具有很好的线性增益的振荡器，提高频率输出。

AT切石英晶体的频率-温度特性近似为三次曲线，表述为：

$\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_0}=A_3{(T-T_0)}^3+A_1(T-T_0)+A_0---\left(1\right)$

实际上式(1)中各项系数也与温度有关，因此，更加精确的描述AT切晶体的频率温度特性为：

$\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_0}=A_5{(T-T_0)}^5+A_4{(T-T_0)}^4+A_3{(T-T_0)}^3+A_1(T-T_0)+A_0---\left(2\right)$

为了得到精确的频率，需要产生的补偿电压为：

VC＝B₅(T-T₀)⁵+B₄(T-T₀)⁴+B₃(T-T₀)³+B₁(T-T₀)+B₀ (3)

其中

α为上文所述的压控晶体振荡器的增益系数。由于受到制作石英谐振器的工艺偏差与实际芯片制造时所受工艺偏差，在实际制作集成化温度补偿晶体振荡器时，需对(3)中的因子B5～B0做出修正，即所述补偿电压修调。同时考虑更严苛条件时，需要考虑六次以及更高次补偿电压的修调。

为了实现上述补偿电压修调，本发明共包括：运算放大器、译码电路、MOS开关管、电阻、高次电流产生电路、加法电路。下面结合附图说明。

运算放大器、译码电路、MOS开关管组成幅值可调电流转电压电路。如附图1所示，包含运算放大器A1、运算放大器A2、可变电阻RV、MOS开关管TG1、TG2、电阻R。其中VM电压为恒定电压，与高次电流产生电路内部的恒定电压相匹配。高次电流的输出接入运算放大器A1的负端输入，可变电阻RV连接在运算放大器A1的负端和输出，作为电流-电压转换电路。此时运算放大器A1的输出电压为：

V_NOUT＝I_OUT□R_V+VM (4)

运算放大器A2与电阻R组成同比例放大电路。运算放大器A2正端接入恒定电压VM，通过MOS开关管TG1、TG2组合成为具有能够选择输出电压的极性功能，简单的说即是将输出电压进行正负极性选择后进行输出。运算放大器A2的输出电压有：

V_POUT＝-I_OUT□R_V+VM (5)

图1所示的VM为恒定电压，可以将其定位为零点电势。此零点电势可作为与定义温度补偿电压内温度传感器的输出电压所设定的零点温度系数时的温度-电压值相关，即VM电压为温度传感器输出的零点温度系数对应的电压相同，也可将此电压称作零温度系数点电压，以及类似相同作用的电位。则可以从类似交流处理方法上将运算放大器A1和运算放大器A2的输出电压视为正负极性变化。

将VM定义为零点电势，控制电压V_CTRL和V_NCTRL分别作为MOS开关管MN1、MP1和MN2、MP2的栅电压，作输出电压选择功能。根据V_CTRL和V_NCTRL电位的不同，将输出极性相反的电压。当V_CTRL＝1，V_NCTRL＝0时输出有：

V_OUT＝V_POUT＝-I_OUT□R_V (6)

当V_CTRL＝0，V_NCTRL＝1时输出有：

V_OUT＝V_POUT＝I_OUT□R_V (7)

RV为可变电阻，高次电流实际上在固定温度下为固定值，因此通过改变RV的大小，将能够调整输出电压的实际大小，即从温度范围上看，能够通过调整RV的大小改变高次电压的系数大小。实际需要的系数与实际芯片制造和实际晶体制造对应的频率-温度曲线所需要的补偿电压的高次电压项系数相关。

附图2为电压幅值修调的一种实现的方式，其中电阻串R1＝…＝Ri…＝RN，通过将所需大小的电阻接入运算放大器A1的负端与输出，得到可变电阻的值。其中要说明的是此值为量化值，通过增加电阻的数目和减小电阻阻值，能够得到实际所需的高次电流曲线系数。在本专利中所述的开关MOS管C1～CN将电阻接入运算放大器A1的负端和输出端，实际上此开关管可由其他类似的晶体管和晶体管组合替代。

附图2中的开关MOS管的控制电压来自译码电路，译码电路如附图3所示，输入数据通过两个反相器产生非关系的信号，分别控制两个相连接的MOS管，如附图3中的11所示，此MOS管对有一个短路，充当1或0电位，若接的N0为1，则代表输入D0为0时，此MOS管对导通，需要说明的是，本专利内的译码电路皆以此方法作为1bit数据判断。附图3中的2为一纵列，作为1byte数据的判断，当其输入的数据D7～D0对应的数据为00000000时，对应的2纵列每一对MOS开关管都能打开，迫使到地的电阻为低电阻通路，将使输出为0，否则输出为1，得到译码输出的结果。本专利内的其余纵列皆以此方案进行译码。MOS开关管和译码电路组成多路选择器，能够接通不同的电阻抽头至运算放大器A1的负端和输出端。

需要说明的是，译码电路的输入数据由片内ROM给出，本专利所述的温度补偿晶体振荡器内部ROM数据可直接由外部控制器输入，该控制器可以是微控制器，数字信号处理器，FPGA等具有写入功能的器件。

附图4为译码电路的第二种实现方式，与第一种相区分，增加了作为提高驱动能力的反相器，驱动MOS开关管完全打开与闭合，降低寄生电阻对电路产生的影响。反相器可由其余驱动性能相当的电路所替代。

附图5为新的可变电阻的设计，V-端接入运算放大器A1的负端，V_NOUT接入运算放大器A1的输出端，采用两个MOS管对作为开关分别接高次电流产生电路的输出和电阻串R0-RN的抽头。其中Line i的选择和Ci的选择信号产生于逻辑控制电路。

附图6为第三种译码电路的实现，与第二种相区别，通过改进控制逻辑的关系，其控制逻辑的实施减小了纵列MOS管的数目，每一纵列从十三个MOS管数目降低至九个。其逻辑输出如下所示：

$Line3=\stackrel{\‾}{D7}\stackrel{\‾}{D6}\stackrel{\‾}{D5}+D7\stackrel{\‾}{D6}D5=\stackrel{\‾}{D7}\stackrel{\‾}{D6}\stackrel{\‾}{D5}+D7D5---\left(8\right)$

$Line2=\stackrel{\‾}{D7}\stackrel{\‾}{D6}D5+D7\stackrel{\‾}{D6}\stackrel{\‾}{D5}=\stackrel{\‾}{D7}\stackrel{\‾}{D6}D5+D7\stackrel{\‾}{D5}---\left(9\right)$

$Line1=\stackrel{\‾}{D7}D6\stackrel{\‾}{D5}+\stackrel{\‾}{D7}D6D5=\stackrel{\‾}{D7}D6---\left(10\right)$

$NCtrl=\stackrel{\‾}{Ctrl}=D7+D6D5---\left(11\right)$

附图6所代表的新型译码电路和附图5所示新的可变电阻的组合逻辑如下：对于信号的高三位D7，D6，D5通过不同的逻辑可以选择三行共32列不同的纵列，再通过低五位D4，D3，D2，D1，D0对32列纵列进行选通。本专利为了便于理解采用此方案的优势，解释如下：

通过附图7所示的设计，高次方电流能够直接通过可变电阻产生压降，并且输出电压的大小只与可变电阻上的压降和VM的值相关，与寄生电阻无关，能够降低高次电流产生电路所带内阻对输出的影响。

若规定输出电压为：

V_NOUT＝B_N(T-T₀)^N (12)

通过本发明所设计的电压修调电路，将能够改变BN的取值，其取值范围和取值个数通过规定纵列的数目改变，其中附图6译码电路引起附图5所示的输出电压的变化如下表所示：

其中V_NCTRL控制附图1中的TG1，TG2传输门，驱动信号由D7，D6，D5给出：

V_NCTRL＝D7+D6D5 (13)

其输出逻辑同上表所示，可通过逻辑设计得到高次电压系数的极性选取。

本专利所述补偿电压产生及修调电路，具有通过高次电流转化为高次电压的功能，并具有高次电压系数调整功能。本专利所述的加法电路，具有将一次，三次，四次，五次电压求和的功能，且能够根据压控晶体振荡器，整体修调补偿电压内各系数B5～B0的大小，得到的补偿电压作为压控晶体振荡器的输入。所诉的加法器可以与附图1中极性选择的MOS开关管相组合，成为新型加法器电路，如附图8所示。将MOS开关管的控制信号设置为前述的极性控制信号Nctrl和Ctrl信号，将此MOS开关管作为五次电压输入和四次电压输入的极性选择开关，同时需对每一项输入电压匹配结构相同的MOS开关，以避免开关电阻对电路参数的影响，以此得到加法电路的输出可为：

其中V₊代表运放正输入端的电压，根据叠加原理，可以得到V₊的表达式为：

V₊＝a₀V₀+a₁V₀+a₃V₃+a₄V₄+a₅V₅ (15)

其中a₀、a₁、a₃、a₄、a₅满足：

$a_0{R}_0=a_1{R}_1=a_3{R}_3=a_4{R}_4=a_5{R}_5=\frac{1}{\frac{1}{R_0}+\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_3}+\frac{1}{R_4}+\frac{1}{R_5}}---\left(16\right)$

$a_0+a_1+a_3+a_4+a_5=(\frac{1}{R_0}+\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_3}+\frac{1}{R_4}+\frac{1}{R_5})\×\frac{1}{(\frac{1}{R_0}+\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_3}+\frac{1}{R_4}+\frac{1}{R_5})}=1---\left(17\right)$

由MOS开关管可以对a4，a5的极性做出选择。

由上可知VM为零点温度系数时对应的电压，因此可以将第一项视为零，则输出电压为：

通过调节可以调节补偿电压整体电压系数的大小。通过此电阻比例修调，将能够根据压控晶体振荡器的频率-增益曲线得到更加适合的修正补偿电压。该电阻的修调如附图9所示。其中开关可表示MOS开关管，双极晶体管，传输门等具有选通作用的开关，其开关的控制信号可来自多路选折器，译码器等具有逻辑控制信号的单元，运算放大器能够将其负端和正端电平拉到同电位上。附图9中的实例采用的是译码电路，通过输入不同的数据，译码后进行选择，通过将不同电阻的抽头接入运算放大器A3的负端，电阻串的一头接至VM，一端接输出，将能够调整比例的大小。其中所述的输入信号可采用外部具有逻辑控制的器件如微控制器，DSP元件等，也可取自内部存储器如EEPROM，ROM，寄存器等。

本专利所述的温度补偿晶体振荡器基于此修调电路制作，其总体架构可简化如附图11所示，通过将修调后的补偿电压作为压控晶体振荡器的输入，其中压控晶体振荡器具有恒定的增益，以此补偿晶体振荡器振荡时，频率所受温度的影响。其中附图11中的1部分为低通滤波器，能够降低补偿电压修调电路所带的噪声，降低晶体振荡器的相位噪声。

本专利提供了一种修调补偿电压的补偿电路设计，通过补偿电路能够简单的将补偿电压进行修调，使之满足实际晶体所需要的温度-频率特性，提高温度补偿晶体振荡器的频率精确度和短期稳定度，在宽温度范围内具有很好的频率稳定性。

附图12为本专利所述温度补偿电压经过不同修调数据后，修调的结果。

附图说名

图1是幅值可调电流转电压电路；

图2是电压修调的一种实现的方式；

图3是一种译码电路的设计；

图4是增加驱动能力的译码电路的设计；

图5是新型可变电阻RV的设计；

图6是新型可变电阻RV对应译码电路；

图7是采用新型可变电阻RV的可修调电流-电压转换电路；

图8是具有通道选择的加法电路；

图9是加法电路的电阻修调的原理设计；

图10是加法电路的电阻修调的具体电路；

图11为本专利所论述的温度补偿晶体振荡器的结构；

图12为修调后各项因子不同的补偿电压的输出。

具体实施方式

图1中的RV可采用图2所示的可变电阻，图2中可变电阻的控制信号可为图3、图4、图6中的一种。

图1中RV可采用图6中的可变电阻所替代，其逻辑控制信号产生可采用图6所示。

图7中为采用图5可变电阻设计的电流-电压转换电路实例。V-端接入运算放大器A1的负端，VNOUT接入运算放大器A1的输出端，采用两个MOS管对作为开关分别接高次电流产生电路的输出和电阻串R0-RN的抽头。其中Line i的选择和Ci的选择信号产生于逻辑控制电路。

图8为可变增益加法电路的设计，其中采用图3、图4、图6中的一种所示逻辑控制电路产生的逻辑控制开关，得到具有选择输入电压极性的功能的加法电路。

可采用图10所示的可变电阻设计图8所示的可变增益加法电路。

图11为本专利所述补偿电压修调技术设计的温度补偿晶体振荡器，具有能够控制补偿电压系数，整体增益的功能。

图12为各项因子不同的补偿电压的输出。

Claims (6)

1.温度补偿晶体振荡器的设计与其补偿电压产生及修调方法，其特征在于：一种直接通过外部数字控制内部模拟量，可对复杂温度信号进行调整、处理，提高其精确度，消除量化调节的新型晶体补偿电压修调控制方法及基于本专利所述补偿电压修调方法所设计的温度补偿晶体振荡器。

2.根据权利要求1所述的补偿电压修调控制方法，其特征在于具有逻辑处理的处理器，如微控制器、FPGA、CPLD、DSP等数字元件对芯片内部寄存器进行写入，通过寄存器的值改变内部电路的模拟量，包括内部关键信号路径上的电阻、电压、电流的大小，进而控制输出补偿电压，补偿电压的控制包括补偿电压的曲率，特定温度下的值，也可描述为所近似拟合的高阶曲线的系数。

3.根据权利要求2所述所述改变内部电路的模拟量的方法，其特征在于通过修调电路控制其变化，修调电路包括量化可变电阻、运算放大器、普通电阻。

4.根据权利要求3所述的量化可变电阻，其特征在于包括译码电路、选通开关管、电阻串。电阻串可采用相同方块电阻的串联和不同方块电阻的串联，译码电路和选通开关管也可采用多路选择器代替实行。

5.根据权利要求1所述的温度补偿晶体振荡器，其特征在于包括：温度传感器，一次、三次、四次、五次、六次和更高次电流产生电路，电流-电压转换电路，修调电路，压控晶体振荡器电路。

6.权利5所述的电流-电压转换电路，修调电路其特征在于采用权利1所述的补偿电压修调控制方法。