CN107196605A - 温度补偿振荡器驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种温度补偿振荡器驱动器。电路(100)包含具有驱动器(130)及谐振器(132)的振荡器(110)。所述驱动器(130)接收供应输入(140)处的供应电压并提供驱动输出(150)以驱动所述谐振器(132)产生振荡器输出信号(114)。电力转换器(170)接收输入电压并产生到所述驱动器(130)的所述供应输入(140)的所述供应电压。所述电力转换器(170)中的温度追踪装置(180)基于温度控制到所述驱动器(130)的所述供应输入(140)的所述供应电压的电压电平，使得所述供应电压与所述电路(100)的所述温度逆向变化。

Description

温度补偿振荡器驱动器
技术领域
本发明涉及集成电路，且更特定来说，涉及一种温度补偿振荡器驱动器。
背景技术
无线传感器网络(WSN)(其有时被称为无线传感器及致动器网络(WSAN))是监测/控制物理或环境条件(例如，温度、声音、压力等等)的空间分布的自主传感器或节点。网络上的传感器或致动器合作通过网络将收集到的数据传递到其中对数据进行分析并存储所述数据及/或被发送命令以对相应网络节点进行操作的中央位置。许多网络是双向的，且因此，也使能够控制传感器活动。这些网络及节点用于许多工业及消费者应用(例如，工业过程监测及控制、机器健康监测等等)中。对网络上的节点进行操作的一个重要的因素是为了非常低的电力消耗。
此类网络中的电力消耗是一重要因素，这是因为每一节点处所运用的装置相对廉价且通常使用电池电力进行操作。减小低功率无线网络的功率的一种方式是：在发送数据到节点及接收到节点的数据时，具有间歇数据传送(突发操作)。有时运用休眠计时器来同步突发操作。因为休眠计时器通常总是为接通，所以休眠计时器需要是非常低功率且非常准确的以获得最低系统功率。然而，休眠计时器中的常规晶体振荡器驱动器具有较大的温度变化，且因此在高温下致使较高的电力消耗，从而减小电池寿命。
发明内容
本发明涉及一种温度补偿振荡器驱动器。在一个实例中，电路包含具有驱动器及谐振器的振荡器。所述驱动器接收供应输入处的供应电压并提供驱动输出以驱动所述谐振器产生振荡器输出信号。电力转换器接收输入电压并产生到所述驱动器的所述供应输入的所述供应电压。所述电力转换器中的温度追踪装置基于温度控制到所述驱动器的所述供应输入的所述供应电压的电压电平，使得所述供应电压与所述电路的所述温度逆向变化。
在另一实例中，一种电路包含具有驱动器及晶体谐振器的振荡器。所述驱动器接收供应输入处的供应电压并提供驱动输出以驱动所述晶体谐振器产生振荡器输出信号。线性调节器接收输入电压并产生到所述驱动器的所述供应输入的所述供应电压。所述线性调节器包含：传递晶体管装置，其将所述供应电压提供到所述驱动器的所述供应输入；及泄漏电流产生装置，其供应电流以对所述传递晶体管装置的栅极进行操作。温度追踪装置可操作地耦合到所述线性调节器中的所述泄漏电流产生装置及所述传递晶体管的所述栅极。所述温度追踪装置经由所述传递晶体管装置基于温度控制到所述驱动器的所述供应输入的所述供应电压的所述电压电平，使得所述供应电压与所述电路的所述温度成反比例地变化。
在又一实例中，一种设备包含：远程传感器装置，其包含经由无线网络连接与所述装置进行通信的无线电电路。所述远程传感器装置包含对所述装置进行操作的时序电路。所述时序电路包含：振荡器，其具有驱动器及晶体谐振器。所述驱动器接收供应输入处的供应电压并提供驱动输出以驱动所述晶体谐振器产生振荡器输出信号。所述时序电路中的电力转换器接收输入电压并产生到所述驱动器的所述供应输入的所述供应电压。所述电力转换器中的温度追踪装置基于温度控制到所述驱动器的所述供应输入的所述供应电压的电压电平，使得所述供应电压输入与所述时序电路的所述温度成反比例地变化。
附图说明
图1说明为振荡器驱动器提供温度补偿的实例电路的框图。
图2说明为晶体振荡器驱动器提供温度补偿的实例电路的示意性框图。
图3说明为晶体振荡器驱动器提供温度补偿的电力转换器的实例电力特性。
图4说明为晶体振荡器驱动器提供温度补偿的可配置电力转换器电路的示意图。
图5说明为晶体振荡器驱动器提供温度补偿的电路的操作范围的实例表。
图6说明为晶体振荡器驱动器提供温度补偿的电路的实例操作功率曲线。
图7说明为远程传感器装置中的振荡器驱动器提供温度补偿的实例设备的框图。
具体实施方式
本发明涉及温度补偿振荡器驱动器。随着运用振荡器(例如，晶体振荡器)处的温度增加，在相应振荡器电路中进行操作的相应驱动器电路可能经历电流的急剧增加。在此类动态温度条件下，在常规电路中，供应驱动器的电池供应电压可随着电流负载的增加而减小。如本文所描述的温度补偿驱动器包含：将电压供应到驱动器的电力转换器，所述电力转换器随着温度增加而减小被提供到驱动器的供应电压以减轻驱动器中的电力增加。
在一个实例中，电路包含具有驱动器及谐振器的振荡器。驱动器接收供应输入处的供应电压，并提供驱动输出以驱动谐振器产生振荡器输出信号。电力转换器又接收输入电压并产生到驱动器的供应输入的供应电压。电力转换器中的温度追踪装置基于温度控制到驱动器的供应输入的供应电压的电压电平。控制到驱动器的电压，使得供应电压与电路温度逆向变化(例如，随着温度增加，供应电压减少，且反之亦然)。以此方式，驱动器功率随着温度增加而减小，从而使利用振荡器及驱动器的电路的电池寿命得以保存。电力转换器中的各种装置可选择性地经切换以调整转换器的操作范围(例如，随着温度的电压及/或电流范围操作)。大体上，可运用利用温度追踪装置基于如本文所描述的电路的温度减小供应电压的任何电力转换器。这些转换器可包含(例如)线性调节器、开关电容器供应器及基于电感的开关供应器。
图1说明为振荡器驱动器提供温度补偿的实例电路100。如本文所使用，术语电路可包含执行电路功能(例如(举例来说)模拟电路、数字电路或控制电路)的有源及/或无源元件的集合。术语电路还可包含(例如)全部电路元件被制造于共同衬底上的集成电路。电路100包含具有驱动器130及谐振器132(例如，晶体谐振器)的振荡器110。驱动器接收供应输入140处的供应电压，并提供驱动输出150以驱动谐振器132在输出120处产生振荡器输出信号114。如所展示，驱动输出150驱动信号154到谐振器132，其中信号154与振荡器信号114相位不同。信号114被馈送回到驱动器130的输入160，其中所述驱动器操作作为逆变器。电力转换器170接收输入电压并产生到驱动器130的供应输入140的供应电压。电力转换器170中的温度追踪装置180基于温度控制到驱动器130的供应输入140的供应电压的电压电平，使得供应电压与电路100的温度逆向变化。因此，随着电路100的温度增加，电力转换器170中的温度追踪装置180致使供应电压动态减少送到驱动器130的供应输入140的供应电压。以此方式，电路100中的功率可减小，这是因为在输入140处的供应电压的较小值处，驱动器130消耗较少电力。
在实例中，谐振器132可为晶体谐振器、微机电系统(MEMS)谐振器或LC网络谐振器，然而，大体上，可运用任何类型的谐振器电路。
电力转换器170大体上可为试图基于给定输入电压调节恒定的输出供应电压的任何类型的经调节的电力供应器。然而，随着温度改变，温度追踪装置180致使到驱动器130的供应输入140的供应电压改变以补偿驱动器内归因于温度改变的电流改变。在一个实例中，电力转换器170可为开关电容器电力供应器，或者电力转换器170可为接收输入电压并产生到驱动器130的供应输入140的供应电压的基于电感器的开关电力供应器。在另一实例中，电力转换器170可为接收输入电压并产生到驱动器130的供应输入140的供应电压的线性调节器(例如，低压差调节器(LDO))。
如果线性调节器被用作电力转换器170，那么线性调节器可包含将供应电压提供到驱动器130的供应输入140的传递晶体管装置(参见(例如)图4)。线性调节器还可包含供应电流以对传递晶体管装置的栅极进行操作的泄漏电流产生装置。在此配置中，泄漏电流产生装置的栅极泄漏将电流供应到温度追踪装置180以对传递晶体管装置的栅极进行操作。通过使用栅极泄漏控制线性调节器内的电流，调节器中的电力可进一步被保存。
温度追踪装置180可为(例如)二极管、场效应晶体管装置结或双极晶体管装置结，所述温度追踪装置180与施加于追踪装置的温度成反比例地更改其电压的。此归因于温度而可变的电压被施加于线性调节器中的传递晶体管装置的栅极以控制驱动器130的供应输入140处的供应电压。可提供可编程开关装置(参见(例如)图4)以调整电力转换器170的电流或电压操作范围。开关装置可对数个串联传递晶体管装置、数个串联泄漏电流产生装置或线性调节器中的数个串联或并联温度追踪装置进行配置以调整电力转换器170的电流或电压操作范围。
图2说明为晶体振荡器驱动器210提供温度补偿的实例电路200。晶体振荡器驱动器210(其也被称为驱动器)是逆变器，且晶体振荡器驱动器210经由电阻器R1将其电阻输出驱动到晶体谐振器220的一个引线。晶体谐振器220的另一引线耦合到驱动器210的输入。也可运用电阻器R2提升电路200中的振荡器稳定性。被展示为VDD的输入电压驱动电力转换器230，其提供供应电压LVDD(例如，本地VDD)以对驱动器210进行操作。在一个实例中，VDD可大于1伏特(例如，1.2伏特)且LVDD可小于1伏特(例如，0.5伏特)。随着整个电路200的温度改变，温度追踪装置(TTD)240致使电压LVDD基于温度改变以便减轻如本文所描述的驱动器210中的电力损失。电力转换器230具有随着温度改变而被提供且在图3中所描绘的电压图中所说明的一些操作特性。
图3说明为如本文所描述的晶体振荡器驱动器提供温度补偿的电力转换器的实例电力特性。本文所描述的电力转换器的一个特性是在任何给定温度下为给定输入电压(VDD)维持大体上恒定输出电压(LVDD)。在310处，展示此关系，其中在垂直轴上说明LVDD且在水平轴上说明VDD。如所展示，随着VDD增加，LVDD被维持在大体上恒定电压。在320处，随着温度改变的LVDD变化特性被沿着垂直轴标绘。如320处所展示，随着温度增加，本文中所描述的温度追踪装置致使LVDD减少(例如，以大体上线性方式减少)。
图4说明为晶体振荡器驱动器提供温度补偿的可配置电力转换器电路400。在此电路实例中，出于说明目的，形成本文所描述的振荡器的晶体谐振器及驱动器被表示为负载电流410。操作作为本文所描述的电力转换器的线性调节器420接收输入电压VDD并产生到驱动器的供应输入的供应电压LVDD(参见(例如)图1及2)。线性调节器420包含将供应电压LVDD提供到被表示为电流源410的驱动器的供应输入的传递晶体管装置430。也可呈现电容器C1(或多个电容器)以过滤LVDD。泄漏电流产生装置440将电流供应到二极管D1以对传递晶体管装置430的栅极进行操作。在此实例中，二极管D1操作作为本文所描述的温度追踪装置，且可操作地耦合到线性调节器420中的泄漏电流产生装置440及传递晶体管430的栅极。温度追踪装置D1经由传递晶体管装置430基于温度控制到驱动器的供应输入的供应电压LVDD的电压电平，使得供应电压LVDD与温度成反比例地变化。随着D1的温度增加，其电压降减少，且经由传递晶体管装置430的栅极控制致使LVDD的减少。
为了维持线性调节器420中的最低功率电平，泄漏电流产生装置440的栅极泄漏将电流供应到温度追踪装置D1以对传递晶体管装置430的栅极进行操作。如先前所述，例如，在此实例中，温度追踪装置D1可为二极管。其它实例包含场效应晶体管装置结或双极晶体管装置结，其与施加于追踪装置的温度成反比例地更改其电压。此归因于温度而可变的电压被施加于传递晶体管装置430的栅极以控制供应电压LVDD。
可运用可编程开关装置450来调整线性调节器的电流或电压操作范围。例如，可经由出厂设置命令、现场用户命令及/或经由远程网络控制命令对开关装置450进行编程。开关装置450可包含启用或禁用线性调节器420中的一或多个串联及/或并联装置以控制调节器的操作范围的用户可编程开关。禁用可包含闭合短接串联装置的开关，而启用可包含断开开关以将串联装置有效地插入到电路中。举例来说，开关装置450可通过启用或禁用跨越相应串联装置的控制开关对数个串联传递晶体管装置430或数个串联泄漏电流产生装置440进行配置。编程也可包括切换数个串联或并联温度追踪装置以调整线性调节器420的电流或电压操作范围。
图5说明为晶体振荡器驱动器提供温度补偿的电路的操作范围的实例表500。如所展示，对于VDD的给定值及-40℃到约90℃的温度范围，驱动器中的电流被维持成约11毫微安(nA)的相对恒定值，且功率被维持在约10.5毫微瓦(nW)。如果VDD增加到1.2伏特，那么转换器中的电流被维持在约11nA，但功率增加到约13nW，这归因于线性调节器在较高的VDD值下的电力转换损失。
图6说明为晶体振荡器驱动器提供温度补偿的电路的实例操作功率曲线。在此实例中，展示常规功率曲线610及620，其中在垂直轴上标绘与水平轴上的温度相对的功率。常规曲线610及620中的每一者说明随着温度增加，驱动器中的功率增加。当使用如本文所描述的温度追踪装置时，可提供展示随着温度增加，驱动器电路中的功率随着时间在驱动器电路中大体上保持恒定的功率曲线630，这归因于如本文所描述那样基于温度更改到驱动器的供应电压。
图7说明为远程传感器装置700中的振荡器驱动器提供温度补偿的实例设备。远程传感器装置700(例如，传感器、数据收集器或可控输出装置)包含无线电电路710，其经由无线网络连接与装置进行通信。远程传感器装置700包含对装置进行操作的时序电路720。时序电路720包含具有驱动器730与晶体谐振器740的振荡器。驱动器730接收供应输入750处的供应电压并提供驱动输出754以驱动晶体谐振器740在输出756处产生振荡器输出信号。时序电路720中的电力转换器760接收输入电压并产生到驱动器730的供应输入750的供应电压。电力转换器760中的温度追踪装置770基于温度控制到驱动器730的供应输入750的供应电压的电压电平，使得供应电压输入与时序电路720的温度成反比例地变化。
如先前所述，电力转换器760可为线性调节器，其接收输入电压并产生到驱动器730的供应输入750的供应电压。所述线性调节器可包含：传递晶体管装置，其将供应电压提供到驱动器730的供应输入750；及泄漏电流产生装置，其供应电流以对传递晶体管装置的栅极进行操作。可运用所述泄漏电流产生装置的栅极泄漏将电流供应到温度追踪装置770以对传递晶体管装置的栅极进行操作。温度追踪装置770可为二极管、场效应晶体管装置结或双极晶体管装置结，所述温度追踪装置770与施加于所述追踪装置的温度成反比例地改变其电压，且所述电压被施加于传递晶体管装置的栅极以控制供应电压。可提供可编程开关装置(参见(例如)图4)以调整电力转换器760的电流或电压操作范围。
上文已描述实例。当然，不可能描述组件或方法的每个可能组合，但所属领域的一般技术人员应认识到，许多另外组合及排列是可能的。因此，本发明希望包括落于包含所附权利要求书的本申请案的范围内的全部此类变更、修改及变化。如本文所使用，术语“包含(includes)”意味着包含但不限于，术语“包含(including)”意味着包含但不限于。术语“基于”意味着至少部分基于。另外，在本发明或权利要求书陈述“一”、“第一”或“另一”元件或其等效物时，应将其解译为包含一个或多个此元件，既不要求也不排除两个或多于两个此类元件。

Claims (20)

1.一种电路，其包括：
振荡器，其具有驱动器及谐振器，所述驱动器接收供应输入处的供应电压并提供驱动输出以驱动所述谐振器产生振荡器输出信号；
电力转换器，其接收输入电压并产生到所述驱动器的所述供应输入的所述供应电压；及
所述电力转换器中的温度追踪装置，其基于温度控制到所述驱动器的所述供应输入的所述供应电压的电压电平，使得所述供应电压与所述电路的所述温度逆向变化。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述谐振器是晶体谐振器、微机电系统MEMS谐振器或LC网络谐振器。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述电力转换器是接收所述输入电压并产生到所述驱动器的所述供应输入的所述供应电压的开关电容器电力供应器或基于电感器的开关电力供应器。
4.根据权利要求1所述的电路，其中所述电力转换器是接收所述输入电压并产生到所述驱动器的所述供应输入的所述供应电压的线性调节器。
5.根据权利要求4所述的电路，其中所述线性调节器包含：传递晶体管装置，其将所述供应电压提供到所述驱动器的所述供应输入；及泄漏电流产生装置，其供应电流以对所述传递晶体管装置的栅极进行操作。
6.根据权利要求5所述的电路，其中所述泄漏电流产生装置的栅极泄漏将电流供应到所述温度追踪装置以对所述传递晶体管装置的所述栅极进行操作。
7.根据权利要求6所述的电路，其中所述温度追踪装置是二极管、场效应晶体管装置结或双极晶体管装置结，所述温度追踪装置与施加于所述追踪装置的所述温度成反比例地改变其电压，且所述电压被施加于所述传递晶体管装置的所述栅极以控制所述供应电压。
8.根据权利要求4所述的电路，其进一步包括：可编程开关装置，所述可编程开关装置调整所述电力转换器的电流或电压操作的范围。
9.根据权利要求8所述的电路，其中所述开关装置对数个串联传递晶体管装置、数个串联泄漏电流产生装置或数个串联或并联温度追踪装置进行配置以调整所述电力转换器的电流或电压操作的所述范围。
10.一种电路，其包括：
振荡器，其具有驱动器及晶体谐振器，所述驱动器接收供应输入处的供应电压并提供驱动输出以驱动所述晶体谐振器产生振荡器输出信号；
线性调节器，其接收输入电压并产生到所述驱动器的所述供应输入的所述供应电压，所述线性调节器包含：传递晶体管装置，其将所述供应电压提供到所述驱动器的所述供应输入；及泄漏电流产生装置，其供应电流以对所述传递晶体管装置的栅极进行操作；及
温度追踪装置，其可操作地耦合到所述线性调节器中的所述泄漏电流产生装置及所述传递晶体管装置的所述栅极以经由所述传递晶体管装置基于温度控制到所述驱动器的所述供应输入的所述供应器电压的所述电压电平，使得所述供应器电压与所述电路的所述温度成反比例地变化。
11.根据权利要求10所述的电路，其中所述泄漏电流产生装置的栅极泄漏将电流供应到所述温度追踪装置以对所述传递晶体管装置的所述栅极进行操作。
12.根据权利要求11所述的电路，其中所述温度追踪装置是二极管、场效应晶体管装置结或双极晶体管装置结，所述温度追踪装置与施加于所述追踪装置的所述温度成反比例地改变其电压，且所述电压被施加于所述传递晶体管装置的所述栅极以控制所述供应电压。
13.根据权利要求10所述的电路，其进一步包括：可编程开关装置，所述可编程开关装置调整所述线性调节器的电流或电压操作的范围。
14.根据权利要求13所述的电路，其中所述开关装置对数个串联传递晶体管装置、数个串联泄漏电流产生装置或数个串联或并联温度追踪装置进行配置以调整所述线性调节器的电流或电压操作的所述范围。
15.一种设备，其包括：
远程传感器装置，其包含经由无线网络连接与所述装置进行通信的无线电电路，所述远程传感器装置包含对所述装置进行操作的时序电路，所述时序电路包括：
振荡器，其具有驱动器及晶体谐振器，所述驱动器接收供应输入处的供应电压并提供驱动输出以驱动所述晶体谐振器产生振荡器输出信号；
电力转换器，其接收输入电压并产生到所述驱动器的所述供应输入的所述供应电压；及
所述电力转换器中的温度追踪装置，其基于温度控制到所述驱动器的所述供应输入的所述供应电压的电压电平，使得所述供应电压输入与所述时序电路的所述温度成反比例地变化。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述电力转换器是线性调节器，其接收所述输入电压并产生到所述驱动器的所述供应输入的所述供应电压。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述线性调节器包含：传递晶体管装置，其将所述供应电压提供到所述驱动器的所述供应输入；及泄漏电流产生装置，其供应电流以对所述传递晶体管装置的栅极进行操作。
18.根据权利要求17所述的设备，其中所述泄漏电流产生装置的栅极泄漏将电流供应到所述温度追踪装置以对所述传递晶体管装置的所述栅极进行操作。
19.根据权利要求18所述的设备，其中所述温度追踪装置是二极管、场效应晶体管装置结或双极晶体管装置结，所述温度追踪装置与施加于所述追踪装置的所述温度成反比例地改变其电压，且所述电压被施加于所述传递晶体管装置的所述栅极以控制所述供应电压。
20.根据权利要求19所述的设备，其进一步包括：可编程开关装置，其调整所述电力转换器的电流或电压操作的范围。
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