CN112292815A - 补偿晶体振荡器的频率变化以及相关系统、方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本公开的系统、方法和设备整体涉及补偿提供给时钟跟踪环路的参考信号由于温度引起的频率误差。提供参考信号的晶体振荡器的误差特性用于补偿可能的频率误差。本发明公开了其他系统、方法和设备。

Description

补偿晶体振荡器的频率变化以及相关系统、方法和设备
优先权声明
本申请要求于2018年6月6日提交的名称为“COMPENSATING FOR FREQUENCYVARIATION OF A CRYSTAL OSCILLATOR AND RELATED SYSTEMS,METHODS AND DEVICES”的待审的美国临时专利申请62/681,506的申请日的权益，并且要求于2019年1月4日提交的名称为“COMPENSATING FOR FREQUENCY VARIATION OF A CRYSTAL OSCILLATOR AND RELATEDSYSTEMS,METHODS AND DEVICES”的待审的美国专利申请16/240,357的申请日的权益，该申请还要求美国临时专利申请62/681,506的优先权，以上申请各自的内容和公开据此全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开的实施方案整体涉及时钟跟踪环路，诸如锁相环(PLL)和延迟锁相环(DLL)，并且更具体地讲，一些实施方案涉及解决晶体振荡器由于温度引起的频率变化。
背景技术
锁相环在无线通信中的一个用途是在发射期间提供本地振荡器上变频，并且在接收期间提供下变频。一般来讲，在锁相环(PLL)中，比较两个输入信号的相位，并且产生与它们的相位之间的差值成比例的误差信号。误差信号被低通滤波并用于以输出信号频率驱动压控振荡器(VCO)。输出信号频率可通过分频器被反馈作为输入信号之一(换句话讲，负反馈回路)。
如果输入信号之一是参考信号(即，具有保持基本上恒定的频率)，并且输出信号的频率从该参考频率偏移，则相位误差信号将改变(例如，电压信号的振幅变高)，这在相反方向上驱动输出信号的频率，从而减小相位差和相位误差信号。因此，输出信号的频率变为“锁定”到参考信号的频率。
参考信号可以从晶体振荡器生成的信号中得出，该晶体振荡器通常具有在特定温度范围内提供非常稳定的频率的特性。然而，如果温度超出晶体的操作范围，则晶体可开始表现出频率变化，即，晶体振荡的频率可能与其标准频率或操作频率(或标准频率/操作频率范围)不同。方差的大小被称为频率误差。
因此，本公开的发明人看到对解决晶体振荡器由于温度引起的频率变化的技术、系统和设备的需要。
附图说明
通过结合下文的详细描述和附图的概要描述，本公开的实施方案的目的和优点对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。专利或申请文件包含至少一张彩色附图。专利局将根据必要费用的请求和支付提供具有彩色附图的本专利或专利申请公开的副本。
图1A和图1B是在锁相环中用于参考信号的典型晶体振荡器由于温度引起的频率变化的曲线图；
图2是根据本公开的实施方案的包括频率变化补偿的锁相环的框图；
图3A和图3B是根据本公开的实施方案的用于频率误差补偿的过程的流程图；
图3C是根据本公开的实施方案的用于确定频率误差补偿的插值过程的流程图。
图4是根据本公开的实施方案的包括频率变化补偿和校准的锁相环的框图；
图5A和图5B是根据本公开的实施方案的用于频率变化补偿和校准的过程的流程图；
图6是根据本公开的实施方案的在温度补偿之后没有频率校准的锁相环中用于参考信号的晶体振荡器的由于温度引起的频率变化的曲线图；
图7是根据本公开的实施方案的在具有频率校准和温度补偿的锁相环中用于参考信号的晶体振荡器的由于温度引起的频率变化的曲线图；
图8是根据本公开的实施方案的包括经温度补偿的本地振荡器电路的收发器的框图；并且
图9是根据本公开的实施方案的包括频率变化补偿的延迟锁相环的框图。
具体实施方式
在以下具体实施方式中，参考了形成本公开的一部分的附图，并且在附图中以举例的方式示出了可实施本公开的实施方案的特定示例。充分详细地描述了这些实施方案，以使本领域的普通技术人员能够实践本公开。然而，可利用其他实施方案，并且可在不脱离本公开的范围的情况下进行结构、材料和过程的变化。
本文所呈现的图示并不旨在为任何特定方法、系统、设备或结构的实际视图，而仅仅是用于描述本公开的实施方案的理想化表示。本文所呈现的附图未必按比例绘制。为了读者的方便，各附图中的类似结构或部件可保持相同或相似的编号；然而，编号的相似性并不意味着该结构或部件在尺寸、组成、配置或任何其他属性方面必须是相同的。
以下描述可包括示例以帮助本领域的普通技术人员实践本发明所公开的实施方案。使用术语“示例性的”、“通过示例”和“例如”是指相关描述是说明性的，虽然本公开的范围旨在涵盖示例和法律等同形式，但使用此类术语并不旨在将实施方案或本公开的范围限制于指定的部件、步骤、特征或功能等。
应当容易理解，如本文一般所述并且在附图中示出的实施方案的部件可被布置和设计成多种不同的配置。因此，对各种实施方案的以下描述并不旨在限制本公开的范围，而是仅代表各种实施方案。虽然实施方案的各个方面可在附图中呈现，但是附图未必按比例绘制，除非特别指明。
此外，所示出和描述的特定实施方式仅为示例，并且不应理解为实施本公开的唯一方式，除非本文另外指明。元件、电路和功能可以框图形式示出，以便不以不必要的细节模糊本公开。相反，所示出和描述的特定实施方式仅为示例性的，并且不应理解为实施本公开的唯一方式，除非本文另外指明。另外，块定义和各个块之间逻辑的分区是特定实施方式的示例。对于本领域的普通技术人员将显而易见的是，本公开可通过许多其他分区解决方案来实践。在大多数情况下，已省略了关于定时考虑等的细节，其中此类细节不需要获得本公开的完全理解，并且在相关领域的普通技术人员的能力范围内。
本领域的普通技术人员将会理解，可使用多种不同技术和技法中的任何一者来表示信息和信号。例如，可在整个本说明书中参考的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和芯片可由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或者它们的任何组合来表示。为了清晰地呈现和描述，一些附图可以将信号示出为单个信号。本领域的普通技术人员应当理解，信号可表示信号总线，其中总线可具有多种位宽度，并且本公开可在包括单个数据信号在内的任意数量的数据信号上实现。
结合本文所公开的实施方案描述的各种示例性逻辑块、模块和电路可以用通用处理器、专用处理器、数字信号处理器(DSP)、集成电路(IC)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑设备、分立栅极或晶体管逻辑部件、分立硬件部件或设计成实施本文所描述的功能的其任何组合来实现或实施。通用处理器(在本文中可也称为“主机处理器”或简称“主机”)可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可实现为计算设备的组合，诸如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核结合的一个或多个微处理器或任何其他此类配置。在通用计算机可以被配置为执行与本公开的实施方案相关的计算指令(例如，软件代码)时，包括处理器的通用计算机被认为是专用计算机。
实施方案可根据被描绘为流程图、流程示意图、结构图或框图的过程来描述。虽然流程图可将操作动作描述为顺序过程，但是这些动作中的许多动作可在另一序列中、并行地或基本上同时地执行。此外，可重新安排动作的顺序。过程可以对应于方法、线程、函数、程序、子例程、子程序等。此外，本文所公开的方法可以在硬件、软件或两者中实现。如果在软件中实现，这些函数可作为一个或多个指令或代码存储或传输到计算机可读介质上。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，该通信介质包括有利于将计算机程序从一个位置传递到另一个位置的任何介质。
除非明确说明此类限制，否则使用名称诸如“第一”、“第二”等对本文的元件的任何引用不限制那些元件的数量或顺序。相反，这些名称可在本文中用作在两个或更多个元件或元件的实例之间进行区分的便利方法。因此，提及第一元件和第二元件并不意味着在那里只能采用两个元件，或者第一元件必须以某种方式在第二元件之前。此外，除非另外指明，一组元件可包括一个或多个元件。
如本文所用，涉及给定参数、属性或条件的术语“基本上”是指并且包括在本领域的普通技术人员将会理解的给定参数、属性或条件满足小程度的方差的程度，诸如例如在可接受的制造公差内。以举例的方式，取决于基本上满足的具体参数、属性或条件，参数、属性或条件可至少满足90％、至少满足95％、或甚至至少满足99％。
图1A示出了晶体振荡器(缩写为“XO”)的晶体(缩写为“Xtal”)的示例性测试s曲线100的曲线图。s曲线100是作为温度的函数的频率误差(以百万分率或“PPM”表示)。示出了三个s曲线，典型的s曲线110、最小(min)s曲线120和最大(max)s曲线130。典型的s曲线110是示例性Xtal的平均各部分间频率误差与温度的关系。最小s曲线120是示例性Xtal的最小各部分间频率误差与温度的关系。最大s曲线130是示例性Xtal的最大各部分间频率误差与温度的关系。
在-40摄氏度至85摄氏度内，典型低端无线应用的可接受误差范围可显示为最大频率误差102(约20ppm)和最小频率误差104(约-20ppm)。值得注意的是，示例性测试s曲线100在室温下被校准。也就是说，在VCO(例如，作为无线应用中使用的本地振荡器)的集成期间，在室温(按照惯例，为约23摄氏度)下对其进行频率校准。XO封装件(例如，模块)的频率校准增加了集成的成本和延迟。
图1B示出了扩展到135摄氏度的图1A的示例性测试s曲线100的曲线图。典型高端无线应用的可接受误差范围与低端无线应用相同，为±20ppm，但在-40摄氏度至135摄氏度内。示例性Xtal在-40摄氏度至135摄氏度之间的实际误差范围显示为最大实际频率误差106(约53ppm)和最小实际频率误差108(约-23ppm)。因此，在约60摄氏度和90摄氏度下，最小s曲线120与最小频率误差104相交，并且在约120摄氏度下，最大s曲线130与最大频率误差102相交。因此，单独对于-40度至85度范围原本可接受的频率校准技术不足以补偿更宽的温度变化。该缺陷至少部分地由于频率误差随着温度升高的增加率所致。回到图1B，对于示例性Xtal，当温度超过约95摄氏度时，每升高一摄氏度，频率误差的变化率就会增加，并且胜过单纯通过校准的任何温度补偿。
本公开的发明人已知的一些常规PLL包含具有更高质量晶体的XO封装件，即，晶体(从而封装件)具有更大的频率稳定性，因为该晶体与其他晶体相比是以更好的精度和材料制造的。
本公开的发明人已知的一些常规PLL包含了温度补偿的晶体振荡器(TCXO)，与标准XO相比，该温度补偿的晶体振荡器在更宽的温度范围内表现出频率稳定性(其也可被表征为更好的精度与温度的关系)。在其他情况下，XO封装件包含额外的电路以实现温度补偿。例如，压控晶体振荡器(VCXO)连接到补偿电路，该补偿电路感测温度并例如通过将XO的频率“拉”回至规格的变容二极管来向VCXO施加小校正电压。
更精确的晶体制造和/或补偿电路增加了成本。此外，常规的补偿电路通常是“硬连线的”，要么连接到特定热敏电阻器的特定响应电路，要么作为数字逻辑部件，该数字逻辑部件基于温度从TXCO封装件的存储器中存储的值或系数得出校正电压。本公开的发明人现在理解，当TCXO的电路开始老化或以其他方式劣化时，TCXO可开始经历频移。硬连线补偿电路将不调节由于老化的硬件引起的变化的频移。
本公开的一个实施方案整体涉及补偿与由晶体振荡器提供的参考时钟相关联的频率误差的过程。该过程涉及利用基于频率偏移补偿(其也可被称为“频率偏移补偿”、“频率变化补偿”、“频率误差补偿”)的一个或多个设备参数来配置锁相环(PLL)的反馈路径中的可编程分频器。补偿电路响应于与晶体振荡器相关联的频率误差函数来确定频率偏移补偿。频率误差函数基于作为晶体振荡器的温度的函数的频率误差。在一个实施方案中，在给定温度下，频率偏移补偿是与晶体相关联的频率误差的倒数。
图2示出了根据本公开的实施方案的具有PLL(例如，整数N分频PLL或分数N分频PLL)和用于补偿参考信号由于温度的频率变化的电路的系统200。在一个实施方案中，PLL202包括检相器206、低通滤波器210、压控振荡器(VCO)214和可编程分频器218。检相器206接收具有频率fref的参考信号204，该参考信号由晶体振荡器234感生或基于由该晶体振荡器感生的信号，并且从可编程分频器218接收具有频率1/N*fvco的分频反馈信号220。检相器206提供误差信号208，该误差信号可与参考信号204和分频反馈信号220之间的相位差成比例。低通滤波器210对误差信号208进行低通滤波，从而去除误差信号208的高频元素，并且低通滤波器210向压控振荡器(VCO)214的控制端子提供调谐信号212(即，经滤波的误差信号208)。VCO 214接收调谐信号212并提供频率fvco等于N*Fref的输出信号(VO)232。
在一个实施方案中，检相器206可以是被配置为指示相位误差和频率误差中的一者或多者的数字检相器。由检相器206输出的误差信号208可包括数字脉冲，该数字脉冲的平均电压(以及低通滤波器之后的调谐电压212)对应于参考信号204与输出信号230之间的相位误差和/或频率误差。
可以将基于VCO输出信号230的具有频率fO的反馈信号216经由反馈路径232提供给可编程分频器218。可编程分频器218接收反馈信号216和与由选择逻辑部件252提供的设备参数258对应的输入N(分数的或整数的)。可编程分频器218可被配置为响应于设备参数258对反馈信号216的频率fO进行分频。设备参数258可基于频率偏移补偿246。在各种实施方案中，频率偏移补偿246可以用频率、相位或它们的组合来表示。在一个实施方案中，可编程分频器218可被配置为采用频率fin的输入信号并提供频率fout的输出信号，其中fout与fin的关系为fout＝fin/N，其中N为整数或整数的分数。
在一个实施方案中，可编程分频器218可以是整数N分频器，并且例如可实现由输入信号计时的二进制计数器、诸如Johnson计数器等移位寄存器网络或一系列二分频D触发器。在另一个实施方案中，可编程分频器218可以是实现用于分数/非整数N分频的脉冲吞咽计数器的分数N分频器，该分数/非整数N分频例如被配置为在配置的除数不是整数时跳过一些脉冲计数。在另一个实施方案中，可编程分频器218可为Δ-∑分数N分频器。
如上所述，通过改变可编程分频器218的输入N的值，VCO 214能够在感兴趣的频带上调谐。在一个实施方案中，频带可对应于射频收发器。控制电路250可被配置为根据一个或多个感兴趣的频带来控制可编程分频器218。在一个实施方案中，选择逻辑部件252可被配置为向可编程分频器218提供N的设备参数258(或通过数模转换器或“DAC”与设备参数256对应的模拟信号)。在一个实施方案中，选择逻辑部件252可被配置为响应于感兴趣的频带(包括在多个频带上)和频率偏移补偿246来确定N的设备参数258。选择逻辑部件252可包括或有权访问与一个或多个频带相关的设置的操作设置254的数据存储库。在一个实施方案中，操作设置254可被存储为对应于一个或多个频带的一个或多个表，并且每个表可具有对应于频带内的频率的操作设置(例如，N的值)。
选择逻辑部件252可被配置为响应于频率偏移补偿246对分压器设置254进行一个或多个调整。在一个实施方案中，频率偏移补偿246由补偿电路240提供。选择逻辑252可被配置为接收频率偏移补偿246和操作设置254，并提供设备参数258。以举例的方式，假设N＝(fvo÷fxtal)，如果fxtal减小，则需要增大N以保持fvo，因此选择逻辑部件252调节设备参数258来增大分频器N以补偿fxtal的减小。类似地，如果fxtal增大，则需要减小N以保持fvo，因此选择逻辑部件252调节设备参数258来减小分频器N以补偿fxtal的增大。
补偿电路240可被配置为提供频率偏移补偿246。在一个实施方案中，补偿电路240包括频率偏移计算器244和温度传感器242。频率偏移计算器244可被配置为从温度传感器242接收温度值，并且响应于所接收的温度值来确定频率偏移补偿246。在一个实施方案中，温度传感器242可以是可被配置为测量器件温度的热敏电阻器。在一些实施方案中，温度传感器242可被配置为测量晶体振荡器的温度或晶体振荡器周围环境的环境温度。在另一个实施方案中，温度传感器242可以是系统软件，该系统软件可被配置为例如从作为IC封装件的一部分的热敏电阻器中检索供频率误差计算器244使用的温度值。频率偏移计算器244可以是数字逻辑部件或系统软件，该数字逻辑部件或系统软件可被配置为响应于温度来确定频率偏移补偿246。
在一个实施方案中，频率偏移计算器244可包括温度与频率偏移查找表(LUT)(频率偏移是一种频率误差)，其中温度值是LUT的关键。LUT可被配置为响应于给定温度值而提供频率偏移。在一个实施方案中，可响应于晶体振荡器234的晶体在温度范围内的频率精度特性(其在本文中也可被表征为“频率误差特性”)来创建温度与频率偏移表LUT。频率偏移计算器244可被配置为响应于所接收的频率偏移来确定频率偏移补偿246。
在一个实施方案中，补偿电路240可包括被配置为存储温度调节的温度调节LUT(未示出)，并且每个温度调节可对应于存储在操作设置254的数据存储库中的各种分频器设置中的一者或多者。在这种情况下，选择逻辑部件252可被配置为向频率偏移计算器244提供期望的频率或分频器设置作为LUT的输入之一，并且LUT可被配置为响应于温度和分频器设置返回频率调节。LUT向选择逻辑部件252提供频率偏移补偿246，该选择逻辑部件响应于频率偏移补偿245来调节操作设置256。选择逻辑部件252响应于经调节的操作设置向可编程分频器218提供设备参数258。在一个实施方案中，补偿电路240可包括多个温度调节LUT，每个温度调节LUT对应于不同的频谱，以这种方式，例如，补偿电路240可以被配置用于多个传输和接收协议。
在另一个实施方案中，补偿电路240可被配置为使用用于Xtal响应与温度的关系的s曲线拟合函数或“s曲线”来取代LUT。在该实施方案中，S曲线拟合函数是定义Xtal的s曲线的公式。
在一个实施方案中，补偿电路240和/或控制电路250可以是集成电路(IC)封装件的一部分，并且PLL 202和晶体振荡器234可以是作为收发器的一部分的本地振荡器电路。因此，例如，补偿电路240和/或控制电路250可以是模拟电路或数字逻辑电路，或者可以是由可操作地耦接到收发器的微控制器的微处理器执行的软件。
值得注意的是，示例性测试s曲线100可在室温下被校准。也就是说，在VCO(例如，作为在无线应用中使用的本地振荡器)的集成期间，可以在室温(按照惯例，为23摄氏度)下对其进行频率校准。该校准过程需要额外的时间和资源，这增加了制造成本。
图3A和图3B是根据本公开的实施方案的频率误差补偿过程(例如，与图2的系统一起使用)的流程图。转到图3A，其示出了例如在可操作地耦接到PLL的控制模块处执行的过程300，在操作302中，接收向PLL提供参考信号的晶体振荡器的温度。在一个实施方案中，该温度基于或响应于指示晶体振荡器的温度的一个或多个温度测量值(例如，当前温度、平均温度等)。在操作304中，响应于该温度来确定频率偏移补偿。对于一个或多个温度，频率偏移补偿可以是与晶体振荡器相关联的频率误差的倒数。在操作306中，响应于频率偏移补偿和一个或多个操作设置来确定设备参数。设备参数可与PLL相关联，例如与定位在PLL的反馈路径中的分频器相关联。在一个实施方案中，操作设置可与感兴趣的频率或频带以及PLL相关联。在操作308中，响应于设备参数来配置PLL。在一个实施方案中，设备参数用于对PLL的反馈路径中的分频器进行编程。
转到图3B，其示出了例如在PLL处执行的过程310，在操作312中，PLL的反馈信号的频率由经编程的分频器调节，因此至少部分地响应于频率偏移补偿而调节。反馈信号对应于压控振荡器的第一输出信号。在操作314中，响应于经调节的反馈信号和由晶体振荡器提供的参考信号生成相位误差信号。在操作316中，响应于相位误差信号生成第二VCO输出信号。
在一些情况下，所测量的温度可能跟温度与频率偏移表或调整表中的温度条目不完全匹配。因此，本公开的一个实施方案整体涉及至少部分地基于两个温度条目内插频率偏移补偿。
图3C是根据本公开的实施方案的用于确定频率偏移补偿的插值过程320的流程图。在操作322中，接收与向PLL提供参考信号的晶体振荡器相关联的温度测量值。在操作324中，将温度测量值跟温度与频率误差LUT的一个或多个温度条目进行比较。在设想的过程中，任何温度条目均与温度测量值不匹配或不在温度测量值的可接受差值范围内。在操作326中，响应于操作324中的比较结果来选择第一温度条目。第一温度条目与晶体振荡器的第一频率误差特性相关联。第一温度条目大于(即，值大于)温度测量值。在操作328中，响应于操作324中的比较结果来选择第二温度条目。第二温度条目与晶体振荡器的第二频率误差特性相关联。第二温度条目小于(即，值小于)温度测量值。在一个实施方案中，第一温度条目可具有距LUT的温度条目的温度测量值最接近且大于该温度测量值的值，并且第二温度条目可为距LUT的温度条目的温度测量值最接近且小于该温度测量值的值。在操作330中，响应于该温度测量值、第一温度条目、第一频率误差特性、第二温度条目和第二频率误差特性来确定中间频率误差特性。在一个实施方案中，可通过使用第一温度条目、第一频率误差特性、第二温度条目和第二频率误差特性执行插值过程来确定中间频率误差。以举例的方式，分段插值、线性插值、多项式插值、样条插值、高斯过程等。尽管为了便于描述这里仅使用两个温度，但本领域的普通技术人员将理解，可将两个或更多个温度条目用于第一温度条目和第二温度条目中的每一者。在操作332中，响应于温度测量值和中间频率误差特性来确定频率偏移补偿。
本公开的一个实施方案整体涉及向位于锁相环(PLL)的反馈路径中的可编程分频器提供频率误差补偿和频率误差校准。频率误差校准由校准电路提供，并且根据参考温度(通常为室温)来执行。将频率误差补偿应用于可编程分频器的经校准设备设置。
在一个实施方案中，当晶体振荡器与VCO电路集成时，可针对与温度相关的补偿对PLL进行校准。校准系统可在操作期间进行温度补偿。
图4示出了具有经温度补偿PLL的系统400。根据本公开的实施方案，频率补偿电路430被配置为校准温度，并且温度校准电路被配置为补偿参考信号由于温度引起的频率变化。在图4中，所示的仅有PLL元件是PLL VCO电路402、1/N分频器404和晶体振荡器(XO)406，以便简化描述，但其可包括用于PLL的任何合适的元件，包括图2所示的那些元件。
温度校准电路440可被配置为在XO 406集成时执行校准，以补偿晶体在室温下的频率变化、晶体的老化和/或晶体之间的差异。在一个实施方案中，在生产时的频率校准通常涉及：(i)接通包括温度补偿PLL 400的装置(例如，无线电部件)并对其进行编程以响应于测试装置设置而传输到具有已知频率的已知输出信号；(ii)向确定设备的频率误差(如果有的话)的测试装置提供该设备的输出(如果有的话)(例如，将实际输出与已知的无误差输出进行比较)；(iii)将由测试装置确定的频率误差提供给固件应用程序(例如，在设备、测试装置或另一设备处执行)；以及(iv)响应于频率误差来确定频率校正。可将频率校正诸如经校准设置416提供给数据存储库，在一个实施方案中，该数据存储库可为可由主机(例如，被配置为对PLL N分频器进行编程的微控制器单元(MCU))读取的存储器位置。经校准设置416的数据存储库可调整与PLL相关的操作设置。
在校准之后，控制单元410，并且更具体地，选择逻辑部件412，具有对所存储的经校准的操作设置416的访问权限，并且可使用所存储的经校准的该操作设置。在一个实施方案中，所存储的经校准的操作设置416可以是响应于本公开的校准过程而确定的频率校正。在另一个实施方案中，所存储的经校准的操作设置416可以是响应于频率校正而调整的N值，该频率校正响应于本公开的校准过程而确定。
选择逻辑部件412可被配置为接收经校准的操作设置418和频率偏移补偿(FOC)436，并且提供分频器设置422。在一个实施方案中，选择逻辑部件412可被配置为响应于FOC436调节校准设置418，并且响应于经调节的校准设置提供分频器设置422。频率补偿电路430包括温度传感器432和频率误差计算器434，该频率补偿电路可被配置为与补偿电路240(图2)相同。
在一个实施方案中，类似于本公开的其他补偿电路，补偿电路430可包括被配置为存储温度调节的温度调节LUT。温度调节可基于XO 406的晶体在整个温度范围内的频率精度特性。LUT可被配置为响应于温度或者分频器设置和温度来提供频率偏移补偿。在另一个实施方案中，补偿电路430可被配置为使用用于Xtal响应与温度的关系的s曲线拟合函数或“s曲线”来取代LUT。在该实施方案中，S曲线拟合函数是定义Xtal的s曲线的公式。
图5A和图5B是根据本公开的实施方案的PLL的频率误差校准和补偿过程的流程图。转到图5A，其示出了例如在可操作地耦接到PLL的控制电路处执行的过程500，在操作502中，针对向PLL提供参考信号的晶体振荡器由于温度引起的频率变化来校准PLL(例如，使用本公开的一种或多种校准技术)。在操作504中，接收晶体振荡器的温度。在一个实施方案中，该温度基于或响应于指示晶体振荡器的温度的一个或多个温度测量值。在操作506中，响应于温度和与该温度相关联的晶体振荡器的频率误差来确定频率偏移补偿。在操作508中，响应于频率偏移补偿和一个或多个操作设置来确定设备参数。操作设置可与感兴趣的频率或频带以及PLL相关联，此外，操作设置可基于操作502中的校准过程的结果。在操作510中，响应于设备参数，例如通过对分频器进行编程来配置PLL。
转到图5B，其示出了例如在PLL处执行的过程520，在操作522中，PLL的反馈信号的频率由经编程的分频器至少部分地响应于设备参数进行调节，因此至少部分地响应于频率偏移补偿进行调节。反馈信号对应于压控振荡器的输出信号。在操作524中，响应于经调节的反馈信号和由晶体振荡器提供的参考信号生成相位误差信号。在操作526中，响应于相位误差信号生成压控振荡器的第二输出信号。
图6示出了根据本公开实施方案的在温度补偿之后没有频率补偿的PLL中的示例性Xtal的示例性测试s曲线600的曲线图。测试s曲线600包括最小s曲线620、典型s曲线610和最大s曲线630。这三个s曲线对应于图1B的s曲线，并且仅涉及频率校准。示出了另外的s曲线，即最大s曲线632和最小s曲线622，其示出了使用根据本公开的实施方案的频率补偿电路来校正频率变化时的频率误差。对于-45摄氏度至85摄氏度，s曲线622和632保持在±20ppm内。在约70摄氏度处标识出校正量642，其对应于补偿电路施加的最大补偿程度。值得注意的是，从约-25摄氏度至-15摄氏度并且在约120摄氏度下，最大s曲线630和补偿的最大s曲线632重叠，从而指示范围644和646，其中补偿电路不施加(或施加忽略不计的)补偿。在一个实施方案中，范围644和646对应于PLL的正常操作模式，而其他温度范围对应于温度补偿范围。此外，从约-45摄氏度至40摄氏度，最小补偿s曲线实际上具有比最小s曲线620更大的频率误差。
值得注意的是，在约130摄氏度下，最小s曲线622和最大s曲线632分别开始接近频率误差极限最小值和最大值±20ppm，并且在约135摄氏度下开始越过极限。
如上所述，频率误差补偿可与温度校准PLL一起使用以改善频率误差并进一步加宽温度范围。图7示出了根据本公开的实施方案的在具有频率校准和温度补偿的锁相环中用于参考信号的晶体振荡器的由于温度引起的频率变化的曲线图。图7示出了示例性Xtal的s曲线700。S曲线700分别包括没有温度补偿的典型s曲线710、最小s曲线720和最大s曲线730，以及具有温度补偿的最小s曲线722和最大s曲线732。参考最大s曲线732，在约-30摄氏度(744)、25摄氏度(746)和110摄氏度(748)下不存在温度补偿。除了上文提到的744、746和748处的温度之外，从-45摄氏度至135摄氏度存在温度补偿(或允许温度补偿)。
本领域的普通技术人员将认识到本公开的实施方案的许多应用。本公开的一个实施方案整体涉及根据本公开的实施方案的包括具有频率变化补偿的本地振荡器的收发器。
图8示出了在与收发器一起使用的本地振荡器电路中的一个示例性应用。图8示出了收发器800，其包括发射器路径810、接收器路径820和本地振荡器(LO)830。LO 830可包含根据本公开的实施方案的频率补偿或者补偿和校准。在一个实施方案中，LO 830可被配置为根据一个或多个协议并且跨一个或多个频谱在收发器800的信号发射期间提供振荡器上转换，并且在该收发器的信号接收期间提供振荡器下转换。
虽然已经参考晶体振荡器描述了某些实施方案，但是本公开的实施方案可以解决由于任何压电谐振器(包括晶体振荡器，诸如石英晶体或陶瓷)的温度引起的频率变化。
虽然已经参考可被配置为输出电压的检相器输出描述了实施方案，但是本公开不限于此，并且检相器输出可操作地耦接到电流源，诸如电荷泵。
虽然已经根据PLL描述了本公开的实施方案，但是本领域的普通技术人员将理解，本公开的实施方案也适用于延迟锁相环(DLL)。图9示出了根据本公开的一个或多个实施方案的具有被配置为提供系统时钟信号916(CLK_OUT)的温度补偿DLL的系统900。系统时钟信号916可以是数字时钟信号(例如，具有周期性波形的信号)，并且可通过反馈路径916提供给反馈可变延迟908。数字分相器908可被配置为接收系统时钟信号914并提供延迟的反馈信号918(DEL_CLK_OUT)。相位变化920可被配置为接收延迟的反馈信号918和参考时钟信号912(REF_CLK_IN)，并提供指示延迟的反馈信号918与参考时钟信号912之间的相位差的误差信号922(CLK_ERR)。低通滤波器904可被配置为接收误差信号920(CLK_ERR)并提供低通滤波信号，该低通滤波信号可以是被配置用于控制可变延迟906的延迟控制信号922(DELAY_CTRL)。在一个实施方案中，低通滤波器904可以是提供幅度响应的积分器，该幅度响应是误差信号920的频率的倒数。可变延迟906可被配置为接收延迟控制信号922并提供系统时钟信号916。在一个实施方案中，可变延迟906可包括小的延迟元件(例如，反相器)，并且可响应于延迟控制信号922来激活多个延迟元件。换句话讲，延迟元件的数量可指示延迟的反馈信号918和参考时钟信号912异相的程度的大小。
在一个实施方案中，数字分相器908可被配置为对方波进行分频并输出与经分频的方波异相的信号。数字分相器908可被配置为响应于延迟参数948对系统时钟信号914进行分频。选择逻辑部件942可被配置为响应于频率偏移补偿936来确定延迟参数948。补偿电路930可被配置为提供频率偏移补偿936，并且可包括计算器934和温度传感器932。温度传感器932可提供参考时钟信号912源的温度的测量值，并且计算器934可被配置为响应于温度测量值来确定频率偏移补偿936。计算器934可响应于关于参考时钟信号912源的温度与频率特性信息来确定频率偏移补偿936。在一个实施方案中，误差特性可表示为频率误差、相位误差、振幅误差等。
图9的系统针对由于温度引起的频率误差的校准也可根据本公开的技术来执行。
本公开的一个或多个实施方案可整体涉及时钟跟踪环路电路。在一个实施方案中，时钟跟踪环路电路可被配置为同步至参考信号或同步到该参考信号的一个或多个倍数。在一个实施方案中，时钟跟踪环路电路可包括相位变化控制，并且在另一个实施方案中，时钟跟踪环路电路可包括频率变化控制。
本领域的普通技术人员将认识到，实现本公开的温度补偿技术的DLL具有许多有用的应用。例如，具有宽温度变化、多相时钟生成和时钟/数据恢复系统的应用中的时钟纠偏。
本领域的普通技术人员将认识到，图2所示的补偿和/或控制电路以及图4所示的补偿、控制和/或校准电路也可与其他电子设备架构一起使用。例如，频率合成器，该频率合成器包括位于晶体振荡器的输出与检相器的输入之间的参考分频器以及对该参考分频器进行配置和编程的计数器。可添加补偿电路以配置分频器中的任一者或两者以减小由于温度引起的频率变化。
本公开中任何将某物表征为“典型”、“常规”或“已知”不一定意味着它在现有技术中公开或在现有技术中理解所讨论的方面。其也不一定意味着在相关领域它是众所周知的、易于理解的或常规使用的。
本公开的附加非限制性实施方案可包括：
实施方案1：一种配置时钟跟踪环路(CTL)以用于在宽温度范围内操作的方法，该方法包括：接收与向时钟跟踪环路(CTL)提供参考信号的晶体振荡器相关联的一个或多个温度测量值；以及将该CTL配置为响应于该一个或多个温度测量值以及与该晶体振荡器相关联的一个或多个频率误差特性，调节该CTL的输出信号。
实施方案2：根据实施方案1所述的方法，还包括：响应于该一个或多个温度测量值中的至少一个温度测量值和该一个或多个频率误差特性中的至少一个频率误差特性来确定频率偏移补偿；以及响应于该频率偏移补偿以及与该CTL相关联的一个或多个操作设置，确定与该CTL相关联的至少一个设备参数。
实施方案3：根据实施方案1和2所述的方法，还包括：响应于该频率偏移补偿来调节该一个或多个操作设置中的至少一个操作设置；以及响应于所调节的至少一个操作设置，确定用于配置该CTL的设备参数。
实施方案4：根据实施方案1至3所述的方法，还包括响应于限定频率误差特性与温度的关系的曲线拟合函数来选择该至少一个频率误差特性。
实施方案5：根据实施方案1至4所述的方法，还包括：在查找表中搜索与该至少一个温度测量值匹配的一个或多个温度条目；响应于该搜索提供该至少一个频率误差特性；以及取该至少一个频率误差特性的倒数。
实施方案6：根据实施方案1至5所述的方法，还包括：在查找表中搜索与该至少一个温度测量值和该至少一个操作设置匹配的一个或多个温度条目和一个或多个频率，其中该至少一个操作设置对应于感兴趣的一个或多个频率；响应于该搜索提供该至少一个频率误差特性；以及取该至少一个频率误差特性的倒数。
实施方案7：根据实施方案1至6所述的方法，还包括：响应于该至少一个设备参数来调节该CTL的反馈信号的频率，其中该反馈信号对应于该CTL的所述输出信号的第一频率；响应于经调节的反馈信号和由所述晶体振荡器提供的所述参考信号，生成相位误差信号；以及响应于该相位误差信号提供经调节的输出信号，其中该经调节的输出信号具有第二频率。
实施方案8：根据实施方案1至7所述的方法，其中该CTL为锁相环，并且调节该反馈信号的频率包括响应于该设备参数对该反馈信号进行分频。
实施方案9：根据实施方案1至8所述的方法，其中该CTL为延迟锁相环，并且调节该反馈信号的频率包括响应于该设备参数对该反馈信号进行分相。
实施方案10：根据实施方案1至9所述的方法，还包括针对在室温下预期使用的频率变化来校准该CTL。
实施方案11：根据实施方案1至10所述的方法，其中针对在室温下预期使用的频率变化来校准该CTL包括：控制该CTL以响应于测试设备参数生成具有测试频率的测试输出信号，其中该测试设备参数与具有已知频率的已知输出信号相关联；检测所述测试输出信号的测试频率与所述已知输出信号的已知频率之间的差值；响应于所检测到的差值，更新与该CTL相关联的一个或多个设置。
实施方案12：根据实施方案1至11所述的方法，其中该一个或多个设置是由控制器用于将该CTL配置为在一个或多个应用中操作的一个或多个操作设置。
实施方案13：一种用于时钟跟踪环路的控制系统，该系统包括：温度传感器，该温度传感器被配置为提供与晶体振荡器相关联的一个或多个温度测量值；误差补偿电路，所述误差补偿电路被配置为响应于所述一个或多个温度测量值来确定所述晶体振荡器的一个或多个频率误差特性；以及控制电路，该控制电路被配置为对时钟跟踪环路(CTL)进行编程，以响应于与该晶体振荡器相关联的该一个或多个频率误差特性来调节该CTL的输出信号。
实施方案14：根据实施方案13所述的控制系统，其中该误差补偿电路被配置为响应于以下各项来确定频率偏移补偿：该一个或多个温度测量值中的至少一个温度测量值；以及该一个或多个频率误差特性中的至少一个频率误差特性。
实施方案15：根据实施方案13和14所述的控制系统，其中该误差补偿电路被配置为响应于限定频率误差特性与温度的关系的曲线拟合函数来选择该至少一个频率误差特性。
实施方案16：根据实施方案13至15所述的控制系统，其中该误差补偿电路被配置为：在查找表中搜索与该至少一个温度测量值匹配的一个或多个温度条目；响应于该搜索提供该至少一个频率误差特性；以及取该至少一个频率误差特性的倒数。
实施方案17：根据实施方案13至16所述的控制系统，其中该误差补偿电路被配置为：在查找表中搜索与该至少一个温度测量值和该至少一个操作设置匹配的一个或多个温度条目和一个或多个频率，其中该至少一个操作设置对应于感兴趣的一个或多个频率；响应于该搜索提供该至少一个频率误差特性；以及取该至少一个频率误差特性的倒数。
实施方案18：根据实施方案13至17所述的控制系统，其中该控制电路被配置为响应于该频率偏移补偿以及与该CTL相关联的一个或多个操作设置，确定与该CTL相关联的至少一个设备参数。
实施方案19：根据实施方案13至18所述的控制系统，其中该控制电路被配置为：响应于该频率偏移补偿来调节该一个或多个操作设置中的至少一个操作设置；以及响应于所调节的至少一个操作设置，确定用于配置该CTL的设备参数。
实施方案20：根据实施方案13至19所述的控制系统，还包括校准电路，该校准电路被配置为针对在室温下预期使用的频率变化校准该CTL。
实施方案21：根据实施方案13至20所述的控制系统，其中该校准电路被配置为通过以下方式针对在室温下预期使用的频率变化来校准该CTL：控制该CTL以响应于测试设备参数生成具有测试频率的测试输出信号，其中该测试设备参数与具有已知频率的已知输出信号相关联；检测所述测试输出信号的测试频率与所述已知输出信号的已知频率之间的差值；响应于所检测到的差值，更新与该CTL相关联的一个或多个设置。
实施方案22：根据实施方案13至21所述的控制系统，其中该一个或多个设置是由控制器用于将该CTL配置为在一个或多个应用中操作的一个或多个操作设置。
实施方案23：一种时钟跟踪环路系统，包括：时钟跟踪环路(CTL)，该时钟跟踪环路被配置为响应于一个或多个设备设置而提供跟踪到由晶体振荡器所提供的参考信号的输出信号；控制电路，该控制电路被配置为向该CTL提供一个或多个设备设置，该控制电路包括：温度传感器，该温度传感器被配置为提供与晶体振荡器相关联的一个或多个温度测量值；误差补偿电路，该误差补偿电路被配置为响应于该一个或多个温度测量值来确定该晶体振荡器的一个或多个频率误差特性；以及控制电路，该控制电路被配置为对时钟跟踪环路(CTL)进行编程，以响应于与该晶体振荡器相关联的该一个或多个频率误差特性来调节该CTL的输出信号，并且其中该CTL被配置为通过以下方式提供跟踪到该参考信号的所述输出信号：响应于该至少一个设备参数来调节该CTL的反馈信号的频率，其中该反馈信号对应于该CTL的该输出信号的第一频率；响应于经调节的反馈信号和由所述晶体振荡器提供的所述参考信号，生成相位误差信号；以及响应于该相位误差信号提供经调节的输出信号，其中该经调节的输出信号具有第二频率。
实施方案24：根据实施方案23所述的时钟跟踪环路系统，其中该CTL为锁相环，并且调节该反馈信号的该频率包括响应于该设备参数对该反馈信号进行分频。
实施方案25：根据实施方案23和24所述的时钟跟踪环路系统，其中该CTL为延迟锁相环，并且调节该反馈信号的该频率包括响应于该设备参数对该反馈信号进行分相。
虽然本文关于某些图示实施方案描述了本发明，但本领域的普通技术人员将认识到并理解本发明不受此限制。相反，在不脱离下文所要求保护的本发明的范围及其法律等同形式的情况下，可对图示实施方案和所述实施方案进行许多添加、删除和修改。此外，来自一个实施方案的特性可与另一个实施方案的特性组合，同时仍被包括在发明人所设想的本发明的范围内。

Claims (25)

1.一种配置时钟跟踪环路(CTL)以用于在宽温度范围内操作的方法，所述方法包括：
接收与向时钟跟踪环路(CTL)提供参考信号的晶体振荡器相关联的一个或多个温度测量值；以及
将所述CTL配置为响应于所述一个或多个温度测量值以及与所述晶体振荡器相关联的一个或多个频率误差特性，调节所述CTL的输出信号。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
响应于所述一个或多个温度测量值中的至少一个温度测量值和所述一个或多个频率误差特性中的至少一个频率误差特性来确定频率偏移补偿；以及
响应于所述频率偏移补偿以及与所述CTL相关联的一个或多个操作设置，确定与所述CTL相关联的至少一个设备参数。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：
响应于所述频率偏移补偿来调节所述一个或多个操作设置中的至少一个操作设置；以及
响应于所调节的至少一个操作设置，确定用于配置所述CTL的设备参数。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括响应于限定频率误差特性与温度的关系的曲线拟合函数来选择所述至少一个频率误差特性。
5.根据权利要求3所述的方法，还包括：
在查找表中搜索与所述至少一个温度测量值匹配的一个或多个温度条目；
响应于所述搜索提供所述至少一个频率误差特性；以及
取所述至少一个频率误差特性的倒数。
6.根据权利要求3所述的方法，还包括：
在查找表中搜索与所述至少一个温度测量值和所述至少一个操作设置匹配的一个或多个温度条目和一个或多个频率，其中所述至少一个操作设置对应于感兴趣的一个或多个频率；
响应于所述搜索提供所述至少一个频率误差特性；以及
取所述至少一个频率误差特性的倒数。
7.根据权利要求2所述的方法，还包括：
响应于所述至少一个设备参数来调节所述CTL的反馈信号的频率，其中所述反馈信号对应于所述CTL的所述输出信号的第一频率；
响应于经调节的反馈信号和由所述晶体振荡器提供的所述参考信号，生成相位误差信号；以及
响应于所述相位误差信号提供经调节的输出信号，其中所述经调节的输出信号具有第二频率。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述CTL为锁相环，并且调节所述反馈信号的所述频率包括响应于所述设备参数对所述反馈信号进行分频。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述CTL为延迟锁相环，并且调节所述反馈信号的所述频率包括响应于所述设备参数对所述反馈信号进行分相。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括针对在室温下预期使用的频率变化来校准所述CTL。
11.根据权利要求10所述的方法，其中针对在室温下预期使用的频率变化来校准所述CTL包括：
控制所述CTL以响应于测试设备参数生成具有测试频率的测试输出信号，其中所述测试设备参数与具有已知频率的已知输出信号相关联；
检测所述测试输出信号的测试频率与所述已知输出信号的已知频率之间的差值；
响应于所检测到的差值，更新与所述CTL相关联的一个或多个设置。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述一个或多个设置是由控制器用于将所述CTL配置为在一个或多个应用中操作的一个或多个操作设置。
13.一种用于时钟跟踪环路的控制系统，所述系统包括：
温度传感器，所述温度传感器被配置为提供与晶体振荡器相关联的一个或多个温度测量值；
误差补偿电路，所述误差补偿电路被配置为响应于所述一个或多个温度测量值来确定所述晶体振荡器的一个或多个频率误差特性；以及
控制电路，所述控制电路被配置为对时钟跟踪环路(CTL)进行编程，以响应于与所述晶体振荡器相关联的所述一个或多个频率误差特性来调节所述CTL的输出信号。
14.根据权利要求13所述的控制系统，其中所述误差补偿电路被配置为响应于以下各项来确定频率偏移补偿：
所述一个或多个温度测量值中的至少一个温度测量值；以及
所述一个或多个频率误差特性中的至少一个频率误差特性。
15.根据权利要求14所述的控制系统，其中所述误差补偿电路被配置为响应于限定频率误差特性与温度的关系的曲线拟合函数来选择所述至少一个频率误差特性。
16.根据权利要求14所述的控制系统，其中所述误差补偿电路被配置为：
在查找表中搜索与所述至少一个温度测量值匹配的一个或多个温度条目；
响应于所述搜索提供所述至少一个频率误差特性；以及
取所述至少一个频率误差特性的倒数。
17.根据权利要求14所述的控制系统，其中所述误差补偿电路被配置为：
在查找表中搜索与所述至少一个温度测量值和所述至少一个操作设置匹配的一个或多个温度条目和一个或多个频率，其中所述至少一个操作设置对应于感兴趣的一个或多个频率；
响应于所述搜索提供所述至少一个频率误差特性；以及
取所述至少一个频率误差特性的倒数。
18.根据权利要求14所述的控制系统，其中所述控制电路被配置为响应于所述频率偏移补偿以及与所述CTL相关联的一个或多个操作设置，确定与所述CTL相关联的至少一个设备参数。
19.根据权利要求18所述的控制系统，其中所述控制电路被配置为：
响应于所述频率偏移补偿来调节所述一个或多个操作设置中的至少一个操作设置；以及
响应于所调节的至少一个操作设置，确定用于配置所述CTL的设备参数。
20.根据权利要求13所述的控制系统，还包括校准电路，所述校准电路被配置为针对在室温下预期使用的频率变化校准所述CTL。
21.根据权利要求20所述的控制系统，其中所述校准电路被配置为通过以下方式针对在室温下预期使用的频率变化来校准所述CTL：
控制所述CTL以响应于测试设备参数生成具有测试频率的测试输出信号，其中所述测试设备参数与具有已知频率的已知输出信号相关联；
检测所述测试输出信号的测试频率与所述已知输出信号的已知频率之间的差值；
响应于所检测到的差值，更新与所述CTL相关联的一个或多个设置。
22.根据权利要求21所述的控制系统，其中所述一个或多个设置是由控制器用于将所述CTL配置为在一个或多个应用中操作的一个或多个操作设置。
23.一种时钟跟踪环路系统，包括：
时钟跟踪环路(CTL)，所述时钟跟踪环路被配置为响应于一个或多个设备设置而提供跟踪到由晶体振荡器所提供的参考信号的输出信号；以及
控制电路，所述控制电路被配置为向所述CTL提供一个或多个设备设置，所述控制电路包括：
温度传感器，所述温度传感器被配置为提供与晶体振荡器相关联的一个或多个温度测量值；
误差补偿电路，所述误差补偿电路被配置为响应于所述一个或多个温度测量值来确定所述晶体振荡器的一个或多个频率误差特性；以及
控制电路，所述控制电路被配置为对时钟跟踪环路(CTL)进行编程，以响应于与所述晶体振荡器相关联的所述一个或多个频率误差特性来调节所述CTL的输出信号，并且
其中所述CTL被配置为通过以下方式提供跟踪到所述参考信号的所述输出信号：
响应于所述至少一个设备参数来调节所述CTL的反馈信号的频率，其中所述反馈信号对应于所述CTL的所述输出信号的第一频率；
响应于经调节的反馈信号和由所述晶体振荡器提供的所述参考信号，生成相位误差信号；以及
响应于所述相位误差信号提供经调节的输出信号，其中所述经调节的输出信号具有第二频率。
24.根据权利要求23所述的时钟跟踪环路系统，其中所述CTL为锁相环，并且调节所述反馈信号的所述频率包括响应于所述设备参数对所述反馈信号进行分频。
25.根据权利要求23所述的时钟跟踪环路系统，其中所述CTL为延迟锁相环，并且调节所述反馈信号的所述频率包括响应于所述设备参数对所述反馈信号进行分相。
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