CN117614390A - 温补振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温补振荡器，其具有IPD裸片和CMOS裸片，两者电连接以形成振荡电路，振荡电路包括LC谐振腔、振荡单元、频率同步单元和温度补偿单元；LC谐振腔包括电感和电容，电感和电容中至少一者设置在IPD裸片；振荡单元与LC谐振腔电连接，以输出谐振信号；温度补偿单元包括设置在IPD裸片上的第一温度传感器和设置在CMOS裸片上的温补处理模块，温度处理模块用于接收第一温度传感器测得的温度数据以获得温度补偿值；频率同步单元设置在CMOS裸片以接收温度补偿值和谐振信号进行处理，从而输出频率信号。本发明公开的温补振荡器，在提高Q值的同时，减小了温度传感器与电感或电容之间的物理距离，在温度快速变化的时候可以维持稳定的频率输出。

Description

温补振荡器

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种温补振荡器。

背景技术

LC谐振电路为许多电子电路中不可分割的一部分，广泛应用于时钟生成、频率合成等。由于LC谐振电路中电感和电容具有一定的温度系数，导致LC谐振电路输出信号的频率会随着温度的改变而变化，这严重损害了系统的性能，为此，通常需要进行温度补偿以使LC谐振电路在工作温度范围内能够稳定的输出频率。

如图1所示，现有的LC谐振电路往往仅采用CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺集成，而CMOS裸片上的电感受限于金属厚度导致其Q值（品质因数）较低，如Q值一般为10左右；如图2所示，一些生产商为了提高Q值，采用分立的振荡回路，利用IPD（Integrated PassiveDevice，集成无源器件）技术将LC谐振电路中的无源器件如电感和电容等与CMOS裸片分立，而IPD裸片与CMOS裸片之间存在一定的物理距离，因此设置在CMOS裸片上的温度传感器与IPD裸片上的电感和电容之间存在一定的物理距离，进而导致温度检测存在迟滞，温度补偿无法及时反映温度变化，使得振荡器在温度快速变化时无法维持稳定的频率输出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温补振荡器，该温补振荡器中的温度传感器与电感和/或电容共同设置在IPD裸片上，在提高Q值的同时，减小了温度传感器与电感和/或电容之间的物理距离，有效抑制了温度检测存在迟滞的现象，在温度快速变化的时候可以维持稳定的频率输出。

为达此目的，本发明提供了一种温补振荡器，该温补振荡器具有分立设置的IPD裸片和CMOS裸片，布置于所述IPD裸片和所述CMOS裸片上的电路器件电连接以形成输出频率信号的振荡电路，所述振荡电路包括LC谐振腔、振荡单元、频率同步单元和温度补偿单元；所述LC谐振腔包括电感和电容，所述电感和所述电容并联设置且至少一者设置在所述IPD裸片；所述振荡单元设置在所述CMOS裸片，且与所述LC谐振腔电连接，以配合所述电感和所述电容形成LC振荡回路，从而输出谐振信号；所述温度补偿单元包括设置在所述IPD裸片上的第一温度传感器和设置在CMOS裸片上的温补处理模块，所述温补处理模块与所述第一温度传感器电连接，所述温度处理模块用于接收所述第一温度传感器测得的温度数据并基于该温度数据获得温度补偿值；所述频率同步单元设置在所述CMOS裸片，且分别与所述振荡单元和所述温度补偿单元电连接，以接收所述温度补偿值和所述谐振信号进行处理，从而输出所述频率信号。

可选地，若所述电感和所述电容中的一者设置在所述IPD裸片，另一者设置在所述CMOS裸片；所述温度补偿单元还包括设置在所述CMOS裸片上的第二温度传感器，所述温补处理模块与所述第二温度传感器电连接，所述温度处理模块用于接收所述第一温度传感器测得的温度数据和所述第二温度传感器测得的温度数据，以获得温度补偿值。

可选地，所述第一温度传感器包括热敏电阻或热敏电容。

可选地，所述温补处理模块包括多项式拟合电路，所述多项式拟合电路中预先设置有拟合计算用的相关数值，所述温补处理模块接收所述温度传感器感测的温度数据后根据多项式拟合计算获得该温度数据对应的温度补偿值。

可选地，所述温补处理模块包括存储器，所述存储器中存储有所述温度补偿值与所述温度数据的对应关系，所述温补处理模块基于所述温度传感器感测的温度数据并从对应关系中获得该温度数据对应的温度补偿值。

可选地，所述频率同步单元配置为锁相环电路、分数分频合成器或多模分频器。

可选地，所述频率同步单元包括n条并联的电容补偿电路以及控制模块；所述电容补偿电路包括一个或多个串联的补偿电容，所述电容补偿电路中还串联一开关元件，且所述电容补偿电路与所述电感并联；所述控制模块用于接收所述温度补偿值来调节各电容补偿电路中开关元件的闭合或断开。

可选地，所述频率同步单元包括电容调节电路以及电压调节模块；所述电容调节电路包括压变电容，所述压变电容与所述电容并联或串联；所述电压调节模块用于接收所述温度补偿值来调节提供给所述压变电容的压控电压。

可选地，所述电容设置在所述CMOS裸片上，所述电容设置为压变电容；所述频率同步单元包括电压调节模块；所述电压调节模块用于接收所述温度补偿值来调节提供给所述压变电容的压控电压。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1. 电感和/或电容作为无源器件设置在IPD裸片上，相比CMOS工艺因受限于金属厚度导致电感的Q值（品质因数）较低，采用IPD技术可以明显提高电感的Q值（品质因数）；

2. 电感和/或电容设置在IPD裸片上，第一温度传感器设置在IPD裸片上以对IPD裸片上的器件进行测温，由此，能够减小第一温度传感器与IPD裸片上器件之间的物理距离，有效抑制温度检测存在迟滞的现象，在温度快速变化的时候可以维持稳定的频率输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还根据这些附图获得其它的附图。

本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1示出了现有技术中一实施例的LC谐振电路的结构框图；

图2示出了现有技术中另一实施例的LC谐振电路的结构框图；

图3示出了本申请一实施例的温补振荡器的结构框图；

图4示出了本申请另一实施例的温补振荡器的结构框图；

图5示出了本申请一实施例的温补振荡器的电路示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本申请提供了一种温补振荡器1，参见图3，温补振荡器1采用分立的振荡电路，利用无源电路器件和有源电路器件来设计。具体地，温补振荡器1具有IPD裸片（即IPD DIE）和CMOS裸片（即CMOS DIE），部分电路器件（如无源电路器件）设置在IPD裸片上，部分电路器件设置CMOS裸片上。IPD裸片和CMOS裸片上的电路器件电性连接，以形成可输出频率信号的振荡电路。可选地，IPD裸片上的电路器件在一低热阻的衬底上布置形成。

在一些实施例中，IPD裸片和CMOS裸片可以设置在同一基板上。IPD裸片和CMOS裸片可以并列设置、或者堆叠设置、或者交错设置等，本申请对此不作具体限制。

在一些实施例中，参见图3，振荡电路包括LC谐振腔11、振荡单元12、频率同步单元13和温补补偿单元14。其中，LC谐振腔11可以包括电感111和电容112，电感111和电容112可以并联设置。LC谐振腔11与振荡单元12电性连接，以形成LC振荡回路；该LC振荡回路用于输出谐振信号。温补补偿单元14用于感测温度信息并生成温度补偿值。频率同步单元13分别与振荡单元12和温度补偿单元14电连接，以接收温度补偿值和谐振信号进行处理，从而输出频率信号。

在一些实施例中，LC谐振腔11中的至少部分无源电路器件可设置在IPD裸片上。也就是说，电感111和电容112中的至少一者设置在IPD裸片上。当然不限于此，LC谐振腔11还可以包括电阻，该电阻与电感111串联，且与电容112并联。电阻同样为无源器件，电阻也可设置在IPD裸片上。

优选地，参见图3，电感111作为无源器件，布置在IPD裸片上。在这种情况下，相比CMOS工艺因受限于金属厚度导致电感的Q值（品质因数）较低，采用IPD技术形成的电感111可明显具有较高的Q值。

在一些实施例中，参见图3，电容112作为无源器件，可设置在IPD裸片上。在这种情况下，由于采用IPD技术形成的电容之容值相比CMOS工艺形成的电容较为难以调节，可能会导致输出的谐振信号之频率较为固定。为此，在其他实施例中，参见图4，电容112可设置在CMOS裸片上。电容112设置为可调节电容。或者，电容112设置在IPD裸片上，CMOS裸片上设置有与电容112并联或串联的调整电容等。在这种情况下，能够调节接入LC振荡回路中电容的大小，从而调整LC振荡回路输出的谐振信号之频率。

在一些实施例中，参见图5，振荡单元12可以配合LC谐振腔11形成LC振荡回路。本申请对振荡单元12的电路结构不作具体限制，可采用现有的LC振荡电路结构，实现谐振信号输出即可。

例如，参见图5，振荡单元12包括第一MOS管M1和第二MOS管M2，第一MOS 管M1的栅极与第二MOS管M2的漏极连接，第二MOS管M2的栅极与第一MOS管M1的漏极连接，第一MOS管M1的源极与第二MOS 管M2的源极连接且接地，电感111的两端分别与第一MOS管M1的漏极和第二MOS管M2的漏极连接。电感111和电容112并联设置。其中，电感111可以设置有中央抽头端，该中央抽头端作为LC振荡回路的电压输入端。电容112的两连接端作为LC振荡回路的谐振信号的输出端。当然不限于此，也可以选择其他的端口作为LC振荡回路的电压输入端。

可以理解的是，电感111和电容112具有一定的温度系数，会随着温度的改变而发生变化。为此，需要设置温度补偿单元14进行温度补偿以使温补振荡器1在工作温度范围内能够稳定的输出频率。由于IPD裸片与CMOS裸片之间存在一定的物理距离，容易导致温度检测存在迟滞，因电感111和电容112均容易随温度发生变换，本申请的电路根据电感111和电容112的位置来相应设置温度检测的器件（即温度传感器），以实现精确的温度检测。

具体地，电感111和电容112中的至少一者设置在IPD裸片上，温度补偿单元14包括设置在IPD裸片的第一温度传感器141。第一温度传感器141用于温度检测以获取温度数据。在这种情况下，相比现有的仅设置在CMOS裸片上的温度检测器件，能够减小第一温度传感器141与IPD裸片上器件之间的物理距离，第一温度传感器141能够实现对IPD裸片上的电路器件精准地测温，并有效抑制温度检测存在迟滞的现象，在温度快速变化的时候可维持振荡电路稳定的频率输出。

例如，参见图3，电感111和电容112均设置在IPD裸片上，第一温度传感器141布置在IPD裸片上，由此，能够减小温度传感器141与电感111和电容112之间的物理距离，有效抑制温度检测存在迟滞的现象，并减小热梯度进行精准地测温。

在一些实施例中，电感111和电容112中的一者设置在所述IPD裸片，另一者设置在CMOS裸片。对此，为了实现对电感111和电容112的精确测温，温度补偿单元14中除了设置在IPD裸片的第一温度传感器141外，还可以包括设置在CMOS裸片上的第二温度传感器141’。在这种情况下，第一温度传感器141能够实现对IPD裸片上的电路器件精准地测温，第二温度传感器141’能够实现对CMOS裸片上的电路器件精准地测温，能够及时反映电感111和电容112的温度变化，有效抑制温度检测存在较大迟滞的问题。倘若温补振荡器1的温度发生快速变化，也能够及时且准确地实现测温，以便于对其进行温度补偿，实现温补振荡器1的稳定频率输出。

例如，参见图4，电感111设置在IPD裸片上，电容112设置在CMOS裸片上，为此特别在IPD裸片设置第一温度传感器141对电感111进行测温，在CMOS裸片设置第二温度传感器141’对电容112进行测温。由此，能够实现对电感111和电容112的精准测温。

在一些实施例中，第一温度传感器141包括热敏电阻或热敏电容等。第二温度传感器141’包括热敏电阻、热敏电容或晶体管等。本申请对此不作具体限制。

在一些实施例中，温度补偿单元14可以与温度传感器电连接的温补处理模块142。温补处理模块142设置在CMOS裸片上。在本申请的实施例中，第一温度传感器141和第二温度传感器141’可以统称为温度传感器。

也就是说，若振荡电路中第一温度传感器141和第二温度传感器141’均存在，则温度处理模块142可以分别与第一温度传感器141和第二温度传感器141’电连接，温度处理模块142可接收第一温度传感器141测得的温度数据和第二温度传感器141’ 测得的温度数据来获取温度补偿值。若振荡电路中第一温度传感器141和第二温度传感器141’仅存在一者，则温度处理模块142与存在的第一温度传感器141或第二温度传感器141’电连接，温度处理模块142可接收第一温度传感器141测得的温度数据或第二温度传感器141’ 测得的温度数据来获取温度补偿值。

在一实施例中，温补处理模块142的设置形式包括多项式拟合电路，基于多项式拟合获得温度数据对应的温度补偿值。具体地，温补处理模块142为多项式拟合电路，温补处理模块142接收温度传感器感测的温度数据后可根据多项式拟合计算获得该温度数据对应的温度补偿值。多项式拟合电路中拟合计算用的相关数值预先设置。例如，将该温补振荡器1置于可确定温度的空间并逐步调节温度以获取多个实际输出信号的频率，且记录各频率所对应的温度，通过多组对应的频率和温度来获取温补振荡器1拟合计算用的相关数值。

在另一实施例中，温补处理模块142包括存储器，存储器中存储有温度补偿值与温度数据的对应关系，温补处理模块142基于温度传感器感测的温度数据从对应关系中获得该温度数据对应的温度补偿值。具体地，温补处理模块142包括存储器，存储有温度补偿值与温度的对应关系，采用查表法，根据事先由经验数据制作的数据表来确定在当前环境温度下的温度补偿值。例如，将该温补振荡器1置于可确定温度的空间并逐步调节温度以获取多个实际输出信号的频率，且记录各频率所对应的温度，通过多组对应的频率和温度来进行曲线拟合比如获取频率温度曲线，从而获取各个温度对应的温度补偿值并储存。

当然，除了上述在不同温度环境下测量获取温度补偿值与温度数据的对应关系外，也可以根据电感111和电容112的温度系数来计算获取温度补偿值与温度数据的对应关系。

在一些实施例中，频率同步单元13与振荡单元12电连接以接收LC振荡回路输出的谐振信号；频率同步单元13与温度补偿单元14电连接以接收温度补偿值。频率同步单元13基于谐振信号和温度补偿值进行处理以获取频率信号。在这种情况下，频率同步单元13能够基于温度补偿值来实现对谐振信号的温度补偿，从而输出稳定的频率信号。在本实施例中，频率同步单元13设置在CMOS裸片上。

在一些实施例中，频率同步单元13配置为锁相环电路，锁相环电路基于温度补偿值对谐振信号进行分频/倍频和调制等处理，以输出稳定的频率信号。具体地，锁相环电路接收温度补偿值，可调节自身电路中相应器件的分频比，从而对谐振信号进行相应的分频/倍频等处理，以实现输出稳定的频率信号。

在其他可替代的实施方式中，频率同步单元13也可以采用其他分频器件进行分频等处理，例如分数分频合成器、多模分频器等。

在另一些实施例中，频率同步单元13也可以通过对LC振荡回路进行调整，以获取频率信号。也就是说，频率同步单元13接收温度补偿值对LC振荡回路进行调整，补偿因温度变化引起的频率变化，以使LC振荡电路输出较为稳定的谐振信号，从而温补振荡器1输出稳定的频率信号。

具体地，参见图5，频率同步单元13包括n条并联的电容补偿电路131、以及控制模块132。其中，各电容补偿电路131包括一个或多个串联的电容，各电容补偿电路131中还串联有一开关元件，且电容补偿电路131的两端与电感111的两端连接，即均与电感111并联；控制模块132用于接收温度补偿值来调节各条电容补偿电路131中开关元件的闭合或断开，进而调节接入LC振荡回路中电容的大小，从而补偿因温度变化引起的频率变化。

在其他可替代的实施方式中，频率同步单元13包括电容调节电路、以及电压调节模块。其中，电容调节电路包括压变电容，压变电容的大小可以由所接入的压控电压改变，该压变电容与电容112并联或串联；电压调节模块用于接收温度补偿值来调节提供给压变电容的压控电压大小，进而调节接入LC振荡回路的电容大小，从而补偿因温度变化引起的频率变化。

又或者，电容112设置在CMOS裸片上，并且为压变电容，频率同步单元13包括电压调节模块，电压调节模块通过调节电容112接入的压控电压，来调节电容112的容值大小。由此，能够调节接入LC振荡回路中电容的大小，从而调整LC振荡回路输出的谐振信号之频率，而补偿因温度变化引起的频率变化。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种温补振荡器，其特征在于，该温补振荡器具有分立设置的IPD裸片和CMOS裸片，布置于所述IPD裸片和所述CMOS裸片上的电路器件电连接以形成输出频率信号的振荡电路，所述振荡电路包括LC谐振腔、振荡单元、频率同步单元和温度补偿单元；

所述LC谐振腔包括电感和电容，所述电感和所述电容并联设置且至少一者设置在所述IPD裸片；

所述振荡单元设置在所述CMOS裸片，且与所述LC谐振腔电连接，以配合所述电感和所述电容形成LC振荡回路，从而输出谐振信号；

所述温度补偿单元包括设置在所述IPD裸片上的第一温度传感器和设置在CMOS裸片上的温补处理模块，所述温补处理模块与所述第一温度传感器电连接，所述温度处理模块用于接收所述第一温度传感器测得的温度数据并基于该温度数据获得温度补偿值；

所述频率同步单元设置在所述CMOS裸片，且分别与所述振荡单元和所述温度补偿单元电连接，以接收所述温度补偿值和所述谐振信号进行处理，从而输出所述频率信号。

2.根据权利要求1所述的温补振荡器，其特征在于，若所述电感和所述电容中的一者设置在所述IPD裸片，另一者设置在所述CMOS裸片；所述温度补偿单元还包括设置在所述CMOS裸片上的第二温度传感器，所述温补处理模块与所述第二温度传感器电连接，所述温度处理模块用于接收所述第一温度传感器测得的温度数据和所述第二温度传感器测得的温度数据，以获得温度补偿值。

3.根据权利要求1所述的温补振荡器，其特征在于，所述第一温度传感器包括热敏电阻或热敏电容。

4.根据权利要求1所述的温补振荡器，其特征在于，所述温补处理模块包括多项式拟合电路，所述多项式拟合电路中预先设置有拟合计算用的相关数值，所述温补处理模块接收所述温度数据后根据多项式拟合计算获得该温度数据对应的温度补偿值。

5.根据权利要求1所述的温补振荡器，其特征在于，所述温补处理模块包括存储器，所述存储器中存储有所述温度补偿值与所述温度数据的对应关系，所述温补处理模块基于所述温度数据并从对应关系中获得该温度数据对应的温度补偿值。

6.根据权利要求1所述的温补振荡器，其特征在于，所述频率同步单元配置为锁相环电路、分数分频合成器或多模分频器。

7.根据权利要求1所述的温补振荡器，其特征在于，所述频率同步单元基于所述温度补偿值对所述LC振荡回路进行调整，以获取所述频率信号。

8.根据权利要求7所述的温补振荡器，其特征在于，所述频率同步单元包括n条并联的电容补偿电路以及控制模块；

所述电容补偿电路包括一个或多个串联的补偿电容，所述电容补偿电路中还串联一开关元件，且所述电容补偿电路与所述电感并联；

所述控制模块用于接收所述温度补偿值来调节各电容补偿电路中开关元件的闭合或断开。

9.根据权利要求7所述的温补振荡器，其特征在于，所述频率同步单元包括电容调节电路以及电压调节模块；所述电容调节电路包括压变电容，所述压变电容与所述电容并联或串联；所述电压调节模块用于接收所述温度补偿值来调节提供给所述压变电容的压控电压。

10.根据权利要求7所述的温补振荡器，其特征在于，所述电容设置在所述CMOS裸片上，所述电容设置为压变电容；所述频率同步单元包括电压调节模块；所述电压调节模块用于接收所述温度补偿值来调节提供给所述压变电容的压控电压。