CN1139500A - 低功率温度补偿晶体振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一个低功率温度补偿晶体振荡器(10)。该低功率温度补偿晶体振荡器(10)具有：一个晶体振荡器电路(12)，一个电压控制电抗单元(30)，一个温度补偿电路(50)和一个可编程DC至DC转换器电路(60)；该可编程DC至DC转换器电路有一个与电压控制电抗单元(30)或温度补偿电路(50)连接，或与二者都连接的输出端(62)。大多数这类结构都应用在集成电路中并有利于使能耗和电流消耗最小。
Description
本发明涉及晶体振荡器的温度补偿电路，特别是低功率温度补偿晶体振荡器。
带有一个确定频率的晶体的振荡器被广泛地用于提供一个稳定的频率输出。但是，这些振荡器使用的晶体具有温度敏感性，因此，通常需要温度补偿的装置以保持晶体稳定的输出频率。
目前使用的一种稳定晶体振荡器频率的方法是将振荡器置入一个炉中，使晶体保持恒温。这需要很大的空间并消耗大量的能源。另一种方法包括产生一个温度致变电压并将其加到一个可变电压电容器(voltagevariable capacitor)(例如：变容二极管)以便控制晶体振荡器的共振频率。
在许多振荡器中，一种AT切割晶体(AT cut crystal)被广泛地使用，它通常具有三次方的频率-温度特性函数，并在大约摄氏28度时有一个拐点。各个AT切割晶体的频率-温度特性函数根据晶体制造方法的不同而变化。因此，为了准确地补偿一个使用AT切割晶体的振荡器，加载到变容二极管两端的电压应随温度变化，这种变化应实质性地与使用的专门的晶体的变化相似。
包括特别是蜂窝移动电话和双向无线电话在内的现代通讯系统需要更小、更轻、工作时间(或电池寿命)更长的产品，一种便携式无线通讯产品的体积和重量主要决定于其电源或电池，为了减小电池的体积和重量，电路需要在低电压下运行，例如在大约2.7至3.3伏之间，使得总电流消耗最小。
小型温度补偿晶体振荡器(TCXOs)普遍使用频率-温度补偿电路，该电路产生一个随温度变化的电压，驱动一个电压致变电抗元件，以便获得所需的频率-温度特性。需要在变化的电压下运行TCXO，同时保持所需的温度补偿特性。
传统上，用于补偿的稳压电压源(regulated supply voltage)是通过使用一个简单的电路直接从电源获得的。因此，如果电源在4.5至5伏之间，则需要使用一个约4伏左右的稳压器。当使用减低的电压时，例如3伏的电池，对TCXO进行正确的补偿将是非常困难的，或者说几乎不可能，因为电路需要具有在一定范围内调节频率-温度特性的能力，而可调范围决定于可用于补偿的电源电压(例如：0-4伏)。
因此，使用低压电源，如3伏电池，驱动TCXO的温度补偿是对现有技术的一种改进，同时，通过使大部分电路在减低的电源电压下工作从而使实质上整个补偿电路的电流消耗最小也是一种改进。
此外，并非所有通讯系统都可改为低电压源，因此，TCXO设计应具有在高电压源下工作且不需要额外电流的能力。规模经济，特别是那些开发出用户集成电路的地方，要求一个单一设计能用于在一个扩展的电压范围内运行，或者能在3伏或5伏电池下运行。
下述方法也应看作对现有技术的改进：把一些元件，如一个可编程的DC至DC转换器电路用于一个TCXO，通过将电压提高到一个必需的电平以便驱动一个可变电抗装置而又使电流的增加最小，通过将电压只加到如电平转移器和可变电抗元件这样必需的电路以便控制TCXO，提供在扩展的电压范围内运行的能力。
提供一种低能耗和低电流的TCXO，它能通过调节适应大多数晶体振荡器，而且可以制造成集成电路(IC)形式，这也是对现有技术的一种改进。
图1是根据本发明的一个低功率温度补偿晶体振荡器的框图。
图2是根据本发明，如图1所示的可编程DC至DC转换器电路的更详细的框图。
图3是根据本发明的低功率温度补偿晶体振荡器的另一实施例。
图4是晶体的频率-电抗特性。
图5是与温度补偿晶体振荡器相关的频率-温度函数曲线。
在图1是一个低功率温度补偿晶体振荡器(TCXO)10。从其最简单的形式看，TCXO10包括如下结构。第一，它包括一个带有晶体的晶体振荡器电路12，输入端16和具有预定频率的输出端18。其次，电压控制电抗元件(VCRE)30，在图1中是第30号单元，用于向晶体振荡器电路12的输入端16提供一个可变电抗信号以便有选择地在预定温度范围内调节在端18的输出频率，如图5所示。VCRE30有第一端和第二端32和34。在一个最佳实施例中，VCRE30是一个变容二极管，第一端32是正极，第二端34是负极。第三，一个温度补偿网络(TCN)50被用来测量与晶体接近的温度，并向电压控制电抗元件30提供一个控制信号，以便在一个预定的温度范围内按照需要的范围调整输出频率(在端18)。如图1所示的是一个可编程DC至DC转换器电路(PDCCN)60，它包括一个包含参考电压的输出端62，该输出端至少与电压控制电抗元件30和温度补偿网络50之一相连接。
本发明(the instant invention)使能量和电流消耗最小，从而延长了多种通讯应用设备的电池的寿命(如蜂窝移动电话、无线电话及其类似设备)，同时，可制造成集成电路形式。
特别一提的是，TCXO10中的PDCCN60和电平转移器54(levelshifter)提供了一个合适的电压范围(例如：从0到4伏)以控制VCRE30，并提供(1)晶体振荡器电路12的晶体的适当的温度补偿；(2)合适(高)电压给某些电路，如电平转移器54(它通过VCRE3对晶体进行温度补偿)，在允许大部分电路在减低的电压源下运行的同时，使TCXO10的电流消耗最小；(3)使用更小的电源，如3伏电池，以便减小体积，并有助于对蜂窝移动电话和双向无线电话等新的通讯系统的小型化。
TCN50可包括一个温度补偿电路52和连线56与其串联的电平转移器54。线58为电平转移器54提供电压源。电平转移器54提供一个放大的控制信号到线16和图1中的第一端32和图3中的第二端34。
电平转移器54根据VCRE30的需要将连线56处的低压补偿信号转换成更高的电压，这使得温度补偿电路52在一个电压更低的、能效更高的电压下(例如2.5伏)运行，同时电平转移器54的输出值可在0至4伏之间变化，以进行适当的温度补偿。
如图5中曲线146所示，TCN50提供一个与温度相关的电压给VCRE30用来对晶体振荡器电路12的晶体的频率-温度特性进行补偿。此电压可通过适当的算法与例如AT切割晶体的频率-温度特性的变化相匹配。
特别一提的是，在一个最佳实施例中，晶体的特性可以通过如下的方法确定或测量：将TCXO10置于一个炉中，在一个预先确定的温度范围内改变温度(例如从摄氏-35度到+85度)，这样可以获得一个温度补偿(TC)曲线，如图5中的曲线142。其次，在TC曲线142的基础上通过算法推导出反相曲线144。曲线144的信息被储存起来(以模拟形式或最好是在EEPROM中的数字形式)，并被用来对晶体振荡器电路12中的晶体进行温度补偿，以便在一个宽的温度范围内提供一个预定的输出频率，如图5中的146单元所示。
图1中的TCXO10采取与电源66连接，最好是3伏电池。电源66与低压稳压器80通过线82连接。稳压器80的输出端84与TCN50连接。由于电源66的温度系数、老化、线路和负载都可引起电源变化，TCN50需要一个完全独立于电源变化的电压源来驱动，从而使输送到VCRE30的信号完全稳定，不受上述变化的影响。因此，尽管端82可能有不希望的电压变化和脉冲，低压稳压器80提供一个完全稳定的直流电压给TCN50。
根据图2，单元100给出了PDCCN60(图1中)的细节。PDCCN100通常包括一个逻辑电路(或存储)102和开关电路104，通过线106连接。在一个实施例中，逻辑电路102被预先设计好以便适当地控制开关104，这些可在工厂里为PDCCN100设计预定的电源电压时做好。
开关电路104可包括通和断两个状态。在通的状态下，充电电路(charge pump circuit)110在电源66下工作，产生一个较高的输出电压(通过充电电路110)，该电压经过线116连到输出稳压器112。在断的状态下，电源66通过线117从开关电路107直接连接到输出稳压器112。
在电源电压足够高的情况下，没有必要使用充电电路110，此时充电电路处于关闭状态以降低电流消耗，这样做是有利的，因为充电电路消耗电流。更进一步看，开关电路104可包括一对P沟道MOSFET，在通的状态下将电源66与充电电路110连接，在断的状态下直接与稳压器112连接。
在一个最佳实施例中，当使用3伏电源时，开关电路104在工厂中在EEPROM预置成：经过一个预定启动时间后为通的状态，在启动时(约10微秒或更短)为断的状态。例如，当使用低压电池如3伏电池时，充电电路110在启动时关闭，随后，在稳定状态(启动后)下开通。
当PDCCN60和晶体振荡器电路12集成在一个IC的同一衬底上时，有利于用一个校准过的振荡器(squared oscillator)为PDCCN60计时，如从线18发出而又与该线绝缘的信号，以防止PDCCN60通过衬底耦合产生的开关瞬变，也防止了与振荡器输出混合在振荡器输出端产生不需要的虚假频率。
进一步从细节看，当第一次对TXCO加电时(启动时)，由于几微秒后在振荡器输出端18才能产生振荡，可能出现一个问题。在这最初的几微秒内(启动)，需要对稳压器112的输出端(线118)提供一个正电位，以便通过VCRE30提供一个反偏压以产生足够高的电抗，使晶体振荡电路12启动。
为解决这一问题，在刚加电时，开关电路104用来旁路充电电路110，直接将电源66与稳压器112的输出端118(图1中的线62)连接起来。经过几个微秒(或当稳态获得后)且振荡器输出端18可获得振荡后，开关电路104被置于通的状态，此时，充电电路110可直接从电源66驱动，在端116产生一个较高的输出电压，经过单元112(在端62)稳压后，通过线58为电平转移器54提供一个合适的高电压，见图1和图2。
根据图2，由于充电电路110在端116的输出值能几乎达到端114的输入电压值的两倍，其输出变化量也同样是输入变化量的大约两倍。为了进行有效的温度补偿，稳压器112用来稳压并提供一个稳定的直流输出到电平转移器54。
稳压器112可以是如何一种常规的稳压器，在一个实施例中包括一个简单的串联单元(series pass element)，由一个差分放大器和输出基准来控制。
在一个实施例中，逻辑电路102可包括一条线108，线108与输入端64连接起来，以便动态地对开关电路104进行适宜的控制。
由于电源66可随时间发生大范围的变化，逻辑电路102可用来监视端64的电源，并根据从端64测得的电压值或信号动态地使开关处于通或断的状态。这就可以在可获得较高电压源时，如不需要，关闭充电电路110，动态地使电流消耗最小。充电电路110一般在较高电压下消耗更多的电流，如4伏左右，因此，在不需要时将其关闭是有利的。
例如在动态控制时，当充电电路开通时，可以在端64的电压低于某确定阈值时用来有选择地提高直流电压。
在一个实施例中，充电电路110是一个电压倍压器(voltagedoubler)，只要满足与TXCO10电路匹配的条件，可以用任何常规的手段实现。常规的电压倍压器通常包括下列结构：第一，一个电容器跨接于两个输入端；其次，这些连接被切断，电容被充电的负极与正输入端连接，同时，电容的被充电的正极与带有集电电容(charge holding capacitor)的输出端连接。这些过程连续地反复重复，导致输出值达到输入电压值的大约两倍。电容开关的速度由适当的时钟如单元120或输入频率源控制，时钟单元120可提供调整的波型(squared waveform)、端18的隔绝和缓冲。
在一个最佳实施例中，图2中的端18与图1中的晶体振荡器电路12的输出端相连接。
在一个实施例中，充电电路110能将端64的可以至少是2.7伏的电压提高到端116的5伏，稳压器112将其略微降低到约4伏，以帮助减小端118的不希望的电压变化。
TXCO10可设计为动态变化的，或在工厂设计PDCCN100时预设。特别是预设PDCCN100被调整成使电流和能量消耗最小。这当然可以帮助延长电池的寿命，这是许多通讯系统的主要先进性之所在。
在图1中，VCRE30的第二端34通过电容36交流接地，直流以PDCCN60的输出端62做基准。这种配置在VCRE30与其它电路集成在同一P衬底时尤其有利，因为其它电路能将噪音耦合到VCRE30，并降低振荡器输出的相位噪声。在一个最佳实施例中，VCRE30的负极是一个扩散到共同P衬底中的N井(N-well)，而VCRE30的正极是将P+型掺杂物质注入N-井构成的。如图1所示，通过使VCRE30的负极(第二端34)经电容36交流接地，其有利之处是VCRE30可以与同一衬底上的其它电路基本上隔离并不被耦合。
TCN50可包括一个经低压稳压器80与电源连接的温度补偿电路52。
为保持能耗最低，需要使用低压稳压器。经过一个低压稳压器80运行温度补偿网络50中较高电流消耗的电路特别是温度补偿电路52以及其它高电流消耗的电路，可以减低PDCCN60的电流源的要求，从而降低整个能耗。
低压稳压器80使电源66因温度变化产生的且不能补偿的低压变化最小。如电源66是电池，就会成为这些变化的一个基本原因。因为当电池放电时，输出电压下降。这个(放电)电压可改变温度补偿电路的输出，造成TCXO频率-温度特性的下降。
电平转移器54可包括一个与VCRE30的第一或第二端，即32或34连接的输出端。
如前所述，图1中的电平转移器54包括与VCRE30的第一端32连接的输出，并经过线16与晶体振荡器电路12连接。电平转移器54用来放大温度补偿电路52的低电压输出并产生VCRE30需要的较高的电压。温度补偿电路在较低的且能效较高的电压下运行并从电平转移器54提供一个较高的电压(经放大的)用于对晶体进行温度补偿。但是，电平转移器54在启动时使用可用的最高电压，随后，处于稳定状态。电平转移器54需要在线58获得较高的电压以便为VCRE30提供足够的电压变化，在晶体振荡器电路12对晶体进行温度补偿。
在图3所示的实施例中，电平转移器54的输出与VCRE30的第二端34连接。同样在图3中，第一端32接地，PDCCN60通过线58和线62与电平转移器54直接连接。
在图3所示实施例中，将VCRE30接地可能更有益，用图3中的电路，去掉电容36即可。图3的结构在下述情况下有利：或VCRE30是一个分立的元件，或VCRE30集成在同一N衬底上且P井扩散到衬底中以形成VCRE30的正极。VCRE30的负极是将N+型掺杂物质注入P-井构成的。通过端32接地，如图3所示，VCRE30可以与衬底上的其它电路基本上隔绝并不被耦合。
在图4是一条典型的AT切割晶体的频率-电抗曲线130，特别是，该曲线是根据巴克豪森振荡标准做为晶体频率的函数的晶体电抗。晶体在与振荡器的剩余部(remaider)表现的电抗(包括VCRE30产生的电抗)大小相等，方向相反的电抗下工作。在大多数晶体振荡器中，晶体做为一个电感工作，由振荡器的剩余部(remaider)提供容抗。特别是，晶体典型地在第一条曲线132的弧形区工作，处于在串接(SERIES)和反共振anti-resonance之间。第二曲线134是为了表现完整性。因此，一个典型的晶体应在631欧姆、约16.8兆赫的范围内工作，如图4所示。
图5是频率-温度曲线140。曲线140包括一个三阶非补偿的贝希曼曲线142，是典型AT切割晶体具有的。第二曲线144包括贝希曼曲线142的反函数，可用来调整TCXO的频率输出。在一个实施例中，一个用于TCXO10中的AT切割晶体具有如图5所示的贝希曼曲线142。图5中的横轴包括从摄氏负35度到85度的湿度范围。线146可以是在这个温度范围内的所需的温度补偿频率。在这一实施例中，规格为2ppm。
虽然已对本发明的各种实施例进行了描述，但是，应该认为熟悉现有技术的人可能在不脱离本发明的新颖性和目的的情况下对前述实施例进行修改、替换、重新安排和组合。
Claims (10)
1、一个低功率温度补偿晶体振荡器，包括：
一个带有晶体和预定频率的输入和输出的晶体振荡器电路；
一个电压控制的电抗单元为晶体振荡器电路的输入提供可变电抗，用以有选择地在一个预定的温度范围内调整输出频率，具有第一和第二端；
一个温度补偿电路用以测量与晶体接近的温度并向电压控制电抗单元提供一个控制信号，以便在预定的温度范围内在需要的范围调整频率输出；
一个可编程DC至DC转换器电路，包括一个输出，该输出包含参考电压，至少与电压控制电抗单元和温度补偿电路之一相连接。
2、如权利要求书1中所述低功率温度补偿晶体振荡器，其特征在于一个可编程DC至DC转换器电路包括一个充电电路以便有选择地在低于一个确定的阈值时升高直流电压。
3、如权利要求书1中所述低功率温度补偿晶体振荡器，其特征在于一个可编程DC至DC转换器电路包括一个逻辑电路，一个与逻辑电路相连的充电电路以便有选择地在电压低于一个确定的阈值时升高直流电压，一个稳压器使输出电压变化最小。
4、如权利要求书1中所述低功率温度补偿晶体振荡器，其特征在于一个可编程DC至DC转换器电路包括一个开关电路，在充电电路可接受输入电压并产生一个较高的输出电压，该输出电压连接到输出稳压器时，该开关电路处于通的状态；在至少电压源或电压源产生的较低电压之一被直接连接到输出稳压器时，开关电路处于断的状态。
5、如权利要求书4中所述低功率温度补偿晶体振荡器，其特征在于一个可编程DC至DC转换器电路包括一个与开关电路相连接的可编程逻辑电路，以便动态地在通或断的状态之间转换，逻辑电路被设计成如下形式：在通的状态下，开关电路将电源加载到充电电路；在断的状态下，开关电路将电源直接连接到稳压器。
6、如权利要求书1中所述低功率温度补偿晶体振荡器，其特征在于电压控制电抗单元的第二端通过一个电容交流接地，以可编程DC至DC转换器电路的输出为直流基准。
7、权利要求书1中所述低功率温度补偿晶体振荡器，其特征在于电压控制电抗单元的第一端接地，而第二端与电平转移器和晶体振荡器电路连接。
8、一个低功率温度补偿晶体振荡器，包括：
一个带有晶体和预定频率的输入和输出的晶体振荡器电路；
一个电压控制的电抗单元为晶体振荡器电路的输入提供可变电抗，用以有选择地在一个预定的温度范围内调整输出频率，具有第一和第二端；
一个温度补偿电路用以测量与晶体接近的温度并向电压控制电抗单元提供一个控制信号，以便在预定的温度范围内在需要的范围调整频率输出；
一个可编程DC至DC转换器电路包一个输出，该输出包含参考电压，至少与电压控制电抗单元和温度补偿电路之一相连接；其特征在于可编程DC至DC转换器电路包括一个开关电路，当充电电路可接受输入电压并产生一个较高的输出电压，该输出电压连接到输出稳压器时，开关电路处于通的状态；当至少电压源或电压源产生的较低电压之一被直接连接到输出稳压器时，开关电路处于断的状态。
9、权利要求书8中所述低功率温度补偿晶体振荡器，其特征在于温度补偿电路包括：
一个温度补偿电路通过一个低压稳压器与电源连接；
一个电平转移器，其输出与电压控制电抗单元的第一或第二端相连，该电平转移器有一条输出线与电压控制电抗单元的第一端和晶体振荡器电路相连。
10、权利要求书8中所述低功率温度补偿晶体振荡器，其特征在于电压控制电抗单元的第一端接地，而第二端与电平转移器和晶体振荡器电路相连。
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