CN109495075A - 一种带温度补偿的晶体振荡电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带温度补偿的晶体振荡电路，包括无源晶体、数控电容阵列、压控变容管、可调的PTAT电压产生模块和时钟输出缓冲模块；无源晶体用于产生基准振荡信号；数控电容阵列用于调节基准振荡信号的振荡频率；可调的PTAT电压产生模块用于产生特定温度系数的电压，并向压控变容管发送控制指令，控制指令携带产生特定温度系数的电压；压控变容管用于接收控制指令，根据特定温度系数的电压，对无源晶体的温度漂移进行补偿；时钟输出缓冲模块与无源晶体连接，时钟输出缓冲模块用于对基准振荡信号进行处理，得到输出振荡信号。采用本发明的技术方案，能够提高基准振荡信号的频率精度和温度稳定性。

Description

一种带温度补偿的晶体振荡电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种带温度补偿的晶体振荡电路。

背景技术

晶体振荡器作为稳定的频率源广泛应用于便携式电子设备以及无线通信技术等领域，其频率对温度变化的稳定度是衡量晶体振荡器性能优劣的重要指标之一。

通常情况下，可以采用模拟温度补偿技术对晶体振荡器进行温度补偿，目前的模拟温度补偿技术中，大多采用分段补偿的方式，分别产生对高温段和低温段进行补偿的电压，求和后得到在全温度范围内对温度呈三次函数关系的补偿电压。

但是，现有的模拟温度补偿技术，调节过程繁琐，电路结构复杂，不能适用于不同的晶体。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带温度补偿的晶体振荡电路，用以解决现有技术中采用模拟温度补偿技术，调节过程繁琐，电路结构复杂，不能适用于不同的晶体的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种带温度补偿的晶体振荡电路，包括无源晶体、数控电容阵列、压控变容管、可调的与绝对温度成正比PTAT电压产生模块和时钟输出缓冲模块；

所述无源晶体用于产生基准振荡信号；

所述无源晶体、接地线和控制信号线分别与所述数控电容阵列连接，所述数控电容阵列用于调节所述基准振荡信号的振荡频率；

所述无源晶体和所述可调的PTAT电压产生模块分别与所述压控变容管连接；

所述可调的PTAT电压产生模块用于产生特定温度系数的电压，并向所述压控变容管发送控制指令，所述控制指令携带所述产生特定温度系数的电压；

所述压控变容管用于接收所述控制指令，根据所述特定温度系数的电压，对所述无源晶体的温度漂移进行补偿；

所述时钟输出缓冲模块与所述无源晶体连接，所述时钟输出缓冲模块用于对所述基准振荡信号进行处理，得到输出振荡信号。

进一步地，上述所述的电路中，所述数控电容阵列包括N个电容和与每个电容一一对应连接的金属氧化物半导体MOS开关，其中，N为自然数；

所述电容的一端与所述无源晶体连接，所述电容的另一端与所述MOS开关的漏极连接，所述MOS开关的栅极与所述控制信号线连接，所述MOS开关的源极与所述接地线连接。

进一步地，上述所述的电路中，所述压控变容管由积累型MOS管构成。

进一步地，上述所述的电路中，所述可调的PTAT电压产生模块包括基准电流产生单元和电压缓冲器；

所述基准电流产生单元与所述电压缓冲器连接；

所述电压缓冲器与所述压控变容管连接。

进一步地，上述所述的电路中，所述基准电流产生单元包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第一三极管、第二三极管、分压电阻和可变电阻；

所述第一PMOS管的栅极、所述第二PMOS管的栅极和所述第三PMOS管的栅极相连，且所述第一PMOS管的栅极、第二PMOS管的栅极和所述第二PMOS管的漏极相连；

所述第一NMOS管的漏极与所述第一PMOS管的漏极相连，且所述第一NMOS管的栅极、所述第二NMOS管的栅极和所述第一PMOS管的漏极相连；

所述第一NMOS管的源极与所述第一三极管的发射极相连；

所述第二PMOS管的漏极与所述第二NMOS管的漏极相连；

所述第二NMOS管的源极通过所述分压电阻与所述第二三极管的发射极相连；

所述第一PMOS管的源极、所述第二PMOS管的源极和所述第三PMOS管的源极分别与驱动电源相连；

所述第一三极管的基极、所述第一三极管的集电极、所述第二三极管的基极、所述第二三极管的集电极分别与所述可变电阻的一端相连，并和电路地线相连；

所述第三PMOS管的漏极、所述可变电阻的另一端和所述电压缓冲器相连；

其中，所述第一三极管的发射极的截面积小于所述第二三极管的发射极的截面积。

进一步地，上述所述的电路，还包括增益模块；

所述增益模块跨接在所述无源晶体两端；

所述增益模块用于对所述无源晶体提供能量，以维持所述基准振荡信号的稳定性。

进一步地，上述所述的电路，还包括反馈电阻；

所述反馈电阻跨接在所述增益模块的两端；

所述反馈电阻用于建立所述增益模块所需的静态工作点。

进一步地，上述所述的电路中，所述增益模块采用反相器构成。

本发明的带温度补偿的晶体振荡电路，通过设置数控电容阵列、可调的PTAT电压产生模块和压控变容管，利用信号控制线发送的控制信号调节数控电容阵列的等效电容值，调节无源晶体产生的基准振荡信号的频率，利用可调的PTAT电压产生模块产生与实际需求相符的特定温度系数的电压，并由压控变容管根据特定温度系数的电压，调节等效电容值，以对无源晶体的温度漂移进行补偿，实现了利用较简单的电路结构，快速地对不同的无源晶体的温度补偿。采用本发明的技术方案，能够提高基准振荡信号的频率精度和温度稳定性。

附图说明

图1为本发明的带温度补偿的晶体振荡电路实施例一的原理图；

图2为本发明的带温度补偿的晶体振荡电路实施例二的原理图；

图3为可调的PTAT电压产生模块的电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明实施例技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。

说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的部分，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示的以外的顺序实施。

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

图1为本发明的带温度补偿的晶体振荡电路实施例一的原理图。如图1所示，本实施例的带温度补偿的晶体振荡电路可以包括无源晶体10、数控电容阵列11、压控变容管12、可调的与绝对温度成正比(Proportional To Absolute Temperature，PTAT)电压产生模块13和时钟输出缓冲模块14，其中，无源晶体10、接地线和控制信号线15分别与数控电容阵列11连接，无源晶体10和可调的PTAT电压产生模块13分别与压控变容管12连接，时钟输出缓冲模块14与无源晶体10连接。

在一个具体实现过程中，无源晶体10用于产生基准振荡信号，数控电容阵列11用于调节基准振荡信号的振荡频率。例如，如图1所示，本实施例中，可以在无源晶体10的两端分别设置数控电容阵列11，以分别调节无源晶体10的两端的对地等效电容值。具体地，可以通过控制信号线15输入相应的控制信号，调节数控电容阵列11的等效电容值，从而达到调节基准信号的振荡频率的目的，使基准信号的振荡频率达到合适的范围。

由于无源晶体10本身的温度漂移对基准信号的振荡频率的稳定度影响很大，因此，如图1所示，本实施例中，可以在无源晶体10的两端分别设置压控变容管12，以分别调节无源晶体10的两端的等效电容值，从而能够对无源晶体10温度漂移进行补偿。具体地，可以利用可调的PTAT电压产生模块13产生特定温度系数的电压，并向压控变容管12发送控制指令，若压控变容管12接收到该控制指令，可以根据特定温度系数的电压，对无源晶体10的温度漂移进行补偿，其中，特定温度系数的电压是根据实际需求，利用可调的PTAT电压产生模块13进行调节得到的，从而可以满足对各种无源晶体10的温度漂移进行补偿。

本实施例中，经过调节数控电容阵列11的等效电容值，并利用压控变容管12对无源晶体10的温度漂移进行补偿，可以使得无源晶体10产生频率精度较高、温度稳定性较高的基准振荡信号，并输入时钟输出缓冲模块14，由时钟输出缓冲模块14对基准振荡信号进行处理，得到输出振荡信号，并将输出振荡信号发送给待连接电路。

本实施例的带温度补偿的晶体振荡电路，通过设置数控电容阵列11、可调的PTAT电压产生模块13和压控变容管12，利用信号控制线发送的控制信号调节数控电容阵列11的等效电容值，调节无源晶体10产生的基准振荡信号的频率，利用可调的PTAT电压产生模块13产生与实际需求相符的特定温度系数的电压，并由压控变容管12根据特定温度系数的电压，调节等效电容值，以对无源晶体10的温度漂移进行补偿，实现了利用较简单的电路结构，快速地对不同的无源晶体10的温度补偿。采用本发明的技术方案，能够提高基准振荡信号的频率精度和温度稳定性。

实施例2

图2为本发明的带温度补偿的晶体振荡电路实施例二的原理图。如图2所示，本实施例的带温度补偿的晶体振荡电路在图1所示实施例的基础上，进一步还可以包括增益模块16和反馈电阻17，其中，增益模块16跨接在无源晶体10两端，反馈电阻17跨接在增益模块16的两端。增益模块16用于对无源晶体10提供能量，以维持基准振荡信号的稳定性。反馈电阻17用于建立增益模块16所需的静态工作点。

例如，本实施例中可以利用反馈电阻17对增益模块16提供一个偏置电压，以使增益模块16工作，由增益模块16对无源晶体10提供能量，减少无源晶体10的损耗，使无源晶体10产生稳定的基准振荡信号，其中增益模块16可以由简单的反相器构成，也可以由其它具有相同功能的电路构成，本实施例不做具体限制。

在一个具体实现过程中，如图2所示，本实施例的带温度补偿的晶体振荡电路中，数控电容阵列11可以包括N个电容111和与每个电容111一一对应连接的金属氧化物半导体(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)开关112，其中，N为自然数，电容111的一端与无源晶体10连接，电容111的另一端与MOS开关112的漏极连接，MOS开关112的栅极与控制信号线15连接，MOS开关112的源极与接地线连接。例如，本实施例中，电容111优选为极板电容，其具有很高的温度稳定性，MOS开关112优选为NMOS开关112，压控变容管12优选为由积累型MOS管构成。

如图2所示，本实施例中，可调的PTAT电压产生模块13可以包括基准电流产生单元131和电压缓冲器132，基准电流产生单元131与电压缓冲器132连接，电压缓冲器132与压控变容管12连接。

图3为可调的PTAT电压产生模块的电路图，如图3所示，该基准电流产生单元可以包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第一三极管Q1、第二三极管Q2、分压电阻R1和可变电阻R2；第一PMOS管MP1的栅极、第二PMOS管MP2的栅极和第三PMOS管MP3的栅极相连，且第一PMOS管MP1的栅极、第二PMOS管MP2的栅极和第二PMOS管MP2的漏极相连；第一NMOS管MN1的漏极与第一PMOS管MP1的漏极相连，且第一NMOS管MN1的栅极、第二NMOS管MN2的栅极和第一PMOS管MP1的漏极相连；第一NMOS管MN1的源极与第一三极管Q1的发射极相连；第二PMOS管MP2的漏极与第二NMOS管MN2的漏极相连；第二NMOS管MN2的源极通过分压电阻R1与第二三极管Q2的发射极相连；第一PMOS管MP1的源极、第二PMOS管MP2的源极和第三PMOS管MP3的源极分别与驱动电源相连；第一三极管Q1的基极、第一三极管Q1的集电极、第二三极管Q2的基极、第二三极管Q2的集电极分别与可变电阻R2的一端相连，并和电路的地线相连；第三PMOS管MP3的漏极、可变电阻R2的另一端和电压缓冲器相连；其中，第一三极管Q1的发射极的截面积小于第二三极管Q2的发射极的截面积。

在一个具体实现过程中，第一PMOS管MP1的栅极、第二PMOS管MP2的栅极和第三PMOS管MP3的栅极连接在一起，使得三者具有共同的栅源电压，因此可以近似认为三个PMOS管具有相等的漏极输出电流。将第一NMOS管MN1的栅极、第二NMOS管MN2的栅极和第一PMOS管MP1的源极连接在一起，可以近似认为两个NMOS管具有相等的源极输出电压，从而保证施加在第一三极管Q1和第二三极管Q2的电压相同，并利用第一三极管Q1的电压、第二三极管Q2的电压和分压电阻R1的阻值即可求得基准电流，该基准电流与绝对温度成正比，和分压电阻R1成反比。本实施例中，第一三极管Q1的发射极的截面积小于第二三极管Q2的发射极的截面积，可以优选为第一三极管Q1的发射极的截面积与第二三极管Q2的发射极的截面积成1；X的关系，其中X为大于等于2的整数。在求得基准电流后，可以由第三PMOS管MP3将基准电流进行镜像，具体地，可以按照设定的比例将基准电流复制过来，并使复制过来的基准电流流向可变电阻R2，通过控制可变电阻R2的阻值，得到与实际需求相应的特定温度系数，输入电压缓冲器，电压缓冲器根据该特定温度系数产生特定温度系数的电压，并生成控制指令，将控制指令发送给压控变容管，由压控变容管根据特定温度系数的电压，对无源晶体的温度漂移进行补偿。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种带温度补偿的晶体振荡电路，其特征在于，包括无源晶体、数控电容阵列、压控变容管、可调的与绝对温度成正比PTAT电压产生模块和时钟输出缓冲模块；

所述无源晶体用于产生基准振荡信号；

所述无源晶体、接地线和控制信号线分别与所述数控电容阵列连接，所述数控电容阵列用于调节所述基准振荡信号的振荡频率；

所述无源晶体和所述可调的PTAT电压产生模块分别与所述压控变容管连接；

所述可调的PTAT电压产生模块用于产生特定温度系数的电压，并向所述压控变容管发送控制指令，所述控制指令携带所述产生特定温度系数的电压；

所述压控变容管用于接收所述控制指令，根据所述特定温度系数的电压，对所述无源晶体的温度漂移进行补偿；

所述时钟输出缓冲模块与所述无源晶体连接，所述时钟输出缓冲模块用于对所述基准振荡信号进行处理，得到输出振荡信号。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述数控电容阵列包括N个电容和与每个电容一一对应连接的金属氧化物半导体MOS开关，其中，N为自然数；

所述电容的一端与所述无源晶体连接，所述电容的另一端与所述MOS开关的漏极连接，所述MOS开关的栅极与所述控制信号线连接，所述MOS开关的源极与所述接地线连接。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述压控变容管由积累型MOS管构成。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述可调的PTAT电压产生模块包括基准电流产生单元和电压缓冲器；

所述基准电流产生单元与所述电压缓冲器连接；

所述电压缓冲器与所述压控变容管连接。

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述基准电流产生单元包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第一三极管、第二三极管、分压电阻和可变电阻；

所述第一PMOS管的栅极、所述第二PMOS管的栅极和所述第三PMOS管的栅极相连，且所述第一PMOS管的栅极、第二PMOS管的栅极和所述第二PMOS管的漏极相连；

所述第一NMOS管的漏极与所述第一PMOS管的漏极相连，且所述第一NMOS管的栅极、所述第二NMOS管的栅极和所述第一PMOS管的漏极相连；

所述第一NMOS管的源极与所述第一三极管的发射极相连；

所述第二PMOS管的漏极与所述第二NMOS管的漏极相连；

所述第二NMOS管的源极通过所述分压电阻与所述第二三极管的发射极相连；

所述第一PMOS管的源极、所述第二PMOS管的源极和所述第三PMOS管的源极分别与驱动电源相连；

所述第一三极管的基极、所述第一三极管的集电极、所述第二三极管的基极、所述第二三极管的集电极分别与所述可变电阻的一端相连，并与电路地线相连；

所述第三PMOS管的漏极、所述可变电阻的另一端和所述电压缓冲器相连；

其中，所述第一三极管的发射极的截面积小于所述第二三极管的发射极的截面积。

6.根据权利要求1-5任一所述的电路，其特征在于，还包括增益模块；

所述增益模块跨接在所述无源晶体两端；

所述增益模块用于对所述无源晶体提供能量，以维持所述基准振荡信号的稳定性。

7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，还包括反馈电阻；

所述反馈电阻跨接在所述增益模块的两端；

所述反馈电阻用于建立所述增益模块所需的静态工作点。

8.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述增益模块采用反相器构成。