CN1211354A - 晶体振荡器的温度补偿电路及其方法 - Google Patents

Abstract

一个用于通信装置(200)的晶体振荡器模块(12)的温度补偿(TC)电路(10)。一个现有的通信装置(200)的微控制器(210)用来为晶体振荡器(18)提供TC数字数据(30)。在这个方法中,晶体振荡器模块(12)不需要板上存储器,这可以大大减少成本。TC数字数据(30)在数字数据转换器中转换成控制晶体振荡器频率的TC信号(22)。为了补偿无线器件中稳压器对温度的变化,晶体振荡器模块(12)包括一个板上稳压器(34),它提供特性化稳压输出(36)给数模转换器,以便来自数模转换器的TC信号(22)根据稳压器(34)电压的变化进行特有地修正。这使得输出频率(20)的稳定性从5ppm提高到大约2ppm。

Description

晶体振荡器的温度补偿电路及其方法

本发明领域

本发明一般与用于无线通信装置的晶体振荡器有关，具体地说与晶体振荡器的温度补偿电路以及提供温度补偿功能的方法有关。

本发明背景

晶体振荡器一般用来为无线通信装置提供参考频率信号。温度补偿(TC)电路一般做在晶体振荡器中，在一个宽的温度范围内提供稳定的无线通信频率。这些补偿电路由模拟或数字器件组成，并用来提供对温度相对平坦的频率输出。一般来说，可变电容元件是为了对振荡器最终频率进行绝对调整。这个电容元件通常要么采用微调电容，要么是采用DC电压控制的模拟变容二极管。通过调整这个电容，用户可以将振荡器调整(频率微调)到所期望的最终频率。一般说来，温度补偿的晶体振荡器提供相对温度大约百万分之5(ppm)的频率稳定性。

正象本领域的技术人员所知道的，无线通信装置的工作频率对温度的变化，不仅仅依赖于参考晶体，而且还依赖于对温度敏感的相关电路元件。模拟变容二极管具有自己的与晶体温度变化不同的对温度的变化，必须通过施加一个电压对他们进行控制并与晶体温度变化一起进行补偿。所以，如果加上恒定的电压，变容二极管将随温度改变电容。然而，很难获得一个恒定电压，因为即使给称压器提供一个恒定的输入电压，稳压器也会随温度而改变输出电压。为了获得良好的变容二极管自身温度性能，就需要一个非常稳定的电压。然而，这需要采用一个更昂贵的稳压器电路，这往往不是一种选择。作为结果，从没有补偿的无线通信装置电路，例如D/A转换器加到晶体振荡器上的外部温度敏感电压，将反面影响晶体振荡器性能。另外，在无线通信时调整变容二极管，会改变工作频率，并可能中断通信。

这就需要一个温度补偿的参考频率源：它采用更简单的电路获得温度补偿；不需要专门的存储温度补偿值的存储器，可以采用更少的更便宜的元件，并且提供晶体振荡器和其它与晶体振荡器连接的电路元件的温度补偿。另外，可望提供一个低成本，小尺寸，低漏电流，高成品率的，可对其以及其它电路元件的温度补偿进行控制的晶体振荡器。还可望在无线通信间提供晶体振荡器的频率调整。

附图的简述

图1是根据本发明的晶体振荡器温度补偿电路的方框图。

图2是根据本发明的图1中电路的优选实施方法的简图。

图3是根据本发明的温度补偿电路的通信装置的方框图。

图4是根据本发明的提供温度补偿频率输出方法的流程图。

优选实施方法的详细描述

图1示出了根据本发明提供充分温度补偿频率输出20的温度补偿电路10。在电路10中，存储器28通过信号产生器32给晶体振荡器模块12提供温度补偿数字数据30。存储器28最好是一个无线电路板14上的现有器件，这可以节约成本。信号产生器32由从已经对温度特性化的稳压器34来的稳压输出36供电。为了便于温度特性化，稳压器34最好放在晶体振荡器模块12内。信号产生器32要么放在无线电路板14上，要么在晶体振荡器模块12上。信号产生器最好是无线电路板14上的现有器件，这可以节约成本。应该认识到，无线电路板14上含有信号产生器32将要求在晶体振荡器模块12上增加额外的输入输出管脚，以供数字数据30使用。

一般地说，无线电路没有温度补偿，这会导致温度失效。当没有进行温度补偿的信号去驱动温度敏感器件，如晶体振荡器时，这种现象尤其明显。例如，用没有特性化的稳压器提供电源，并用温度补偿信号去驱动晶体振荡器的信号产生器，会由于未特性化的稳压输出随温度的漂移而引入错误。现有技术晶体振荡器试图通过把所有温度敏感电路，包括一个稳压器和一个存有温度补偿数据的存储器合并到一个模块内然后对温度进行特性化来解决这一问题。然而，这个方法要求采用较大尺寸的模块来容纳所有的元件，包括昂贵的板上专用集成电路(ASIC)存储器。

本发明通过采用一个现有外部存储器28(这能节约成本)，以及用晶体振荡器模块12内部稳压器34给信号产生器32提供电源来解决这些问题，这个晶体振荡器模块的晶体振荡器18和相关调谐电路16已对温度特性化。这样，本发明不再需要板上ASIC，并且得到一个显著提高的温度补偿输出频率20。当采用无线器件的现有存储器28取代板上晶体振荡器模块12中独立的存储器时，本发明很好地提供了晶体振荡器18，调谐电路16以及信号产生器32的温度补偿。

另一个与独立的数字补偿晶体振荡器18有关的问题在于当无线通信时，温度补偿会使得频率相应于温度变化而变化。这会引起中断通信的频率漂移。

本发明通过使无线器件确定何时提供温度补偿修正来解决这个问题。无线器件可以在通信期间阻止温度补偿的变化，因为补偿依赖于无线器件上现有的外部存储器。在这个方法中，避免了发送或接收时突然的频率变化。

晶体振荡器18的温度补偿电路10包括与晶体振荡器18电学连接的调谐电路16。调谐电路16包括与晶体振荡器18连接的电抗负载，并且用来相应于温度补偿信号22对晶体振荡器18的输出频率20进行调整。晶体振荡器模块12中的温度传感器24相应于晶体振荡器18的环境温度提供温度信号26。存储器28与温度传感器24电学连接，并且对其进行编程来提供相应于温度信号26的预先确定的数字数据30。预先确定的数字数据被编程，作为晶体振荡器模块12对温度频率偏差的函数进行变化。预先确定的数字数据30最好编程为也可补偿调谐电路16对温度的电抗变化以及稳压器34对温度的电压变化。

稳压器34与温度传感器24电学连接，并提供稳压输出36。信号产生器32与存储器28电学连接。信号产生器32如图所示，要么位于晶体振荡器模块12中，要么位于无线电路板14上。信号产生器32相应于来自存储器28的预先确定数字数据30将温度补偿信号22提供给调谐电路16。然而，如果温度补偿信号22由未补偿的无线器件电源的稳压器驱动，那么它的精确性会受到反面影响。未补偿的稳压器具有每度一伏(V/C)关系，它加到信号产生器32上时，会引起补偿信号随温度变化好几伏。

晶体振荡器模块12中特性化的稳压器34很好地将稳压输出36为信号产生器32提供电源。这个特性化信息集合到振荡器模块12提供的信息中去。在最初的测试中，当振荡器模块12处于整个温度范围时，温度传感器24，调谐电路16和稳压器34的数据被记录下来。这个数据然后用来计算信号产生器32所需要的补偿信号22，并且每个振荡器模块12将数据提供给无线通信装置的最终用户。因为晶体振荡器模块12的稳压器34与晶体振荡器18本身及调谐电路16一起已经温度特性化，所以特性化的稳压输出36可有效地给信号产生器32提供电源。这样，来自信号产生器32的温度补偿信号22固有地根据稳压器34对温度的电压变化进行补偿。这提高了温度补偿电路10的整个温度补偿性能，其中信号产生器32产生的补偿信号22由于晶体振荡器模块12提供的特性化的信息而更加精确。

图2示出了根据本发明图1中温度补偿电路10的优选实施方法的简图。这个实施方法包括与调谐电路16连接的频率微调信号38。相应于频率微调信号38，调谐电路16调整晶体振荡器18的标定输出频率。频率微调信号38一般通过自动频率控制(AFC)电路从晶体振荡器模块12外部提供。信号产生器32很容易由数字/模拟(DA)转换器提供。然而，其它类似电路也可采用。一般地说，采用的D/A转换器位于无线电路板14上。然而，如果要形成合适的数据连接，那么它可以位于晶体振荡器模块12中。

信号产生器32最好是一个无线电路板上现有的D/A转换器，它一部分时间用来实现无线通信功能，其余时间用来进行温度补偿。当D/A转换器忙于无线通信任务时，为保持补偿，信号产生器32提供至少一个锁存输出缓冲器(没有画出)给补偿信号22。结果，D/A在无线通信功能和给晶体振荡器补偿提供温度补偿的信号之间复用。这个实施方法也能很好地使得无线器件只有当无线器件不发送或接收时才提供温度补偿的变化。另外，避免了无线板上额外D/A转换器的成本。

现有技术的D/A转换器由无线电源稳压器(没有画出)偏置。相反，本发明的显著和未预料的优点是用晶体振荡器模块12中稳压器34来对D/A转换器进行偏置。通过用晶体振荡器模块12中温度特性化稳压输出36对D/A转换器加偏置，输出频率20可得到比2ppm的温度稳定性要好的稳定性。因为D/A转换器采用晶体振荡器模块12的稳压器34工作，所以D/A的输出(温度补偿信号22)与D/A转换器由未特性化的无线器件电源稳压器偏置相比，对温度会更加准确。晶体振荡器模块12最好采用稳压器34的稳压输出36来给具有与现有技术的无线器件中D/A转换器输入阻抗大致相同的D/A转换器32进行偏置，以便保持一致的温度补偿。以上实施方法的另外一种实现是为了晶体振荡器制造商的利益，让无线器件制造商来对每个无线器件电源进行温度特性化。很明显，这是一个昂贵和复杂的解决方法，但本发明用很低的成本就避免了用这种解决办法。

温度传感器24可由至少一个二极管组成的级连二极管串，一个热敏电阻或一个晶体管串提供。这些方法中，二极管串成本最低。热敏电阻一般具有批与批和单元与单元之间制造冗余偏差。一个二极管串可以集成，所以尺寸和电流可以做得相当匹配。在一个优选的实施方法中，温度传感器包括两个集成的级连二极管。集成使得二极管在尺寸上做得匹配很好，所以在电流方面也匹配得很好，这可在二极管串上提供可重复的电压。

每个温度传感器二极管上的电压大约为： $\mathrm{VD}\≈{\left(\frac{q}{\mathrm{nkT}}\right)}^{*}\ln \left(\frac{i_D}{\mathrm{Io}}\right)$

其中q是电子电荷，n是经验确定的指数理想因子，k是波尔兹曼常数，T是绝对温度，i_D是通过二极管的电流，Io是二极管的反向饱和电流。本发明的温度传感器最好采用两个级连的二极管，这可得到2V_D的温度信号。工作时，室温下V_D大约0.6V，而温度传感器由于本发明采用的集成制造工艺使得它具有重复性很好的约4mV/C的温度信号敏感度。

温度传感器的二极管基本有固定的(i_D/Io)比率。这个信息可以永久地保存在存储器中，而无需对每个二极管都一一去实际确定温度变化。另外，每个温度传感器为了更精确也可以对温度特性化。然而，这需要更多的数据处理，并且这对达到本发明2ppm的温度稳定性不是必需的。

正如所认识到的，二极管串中更多数量的二极管提供更高的温度敏感度。然而，这必须与可得到的无线器件的电源权衡，因为在二极管串中只有更高的电势才能支持更多的二极管。在所示的低电源实施方法中，二极管串为两个二极管级连。

调谐电路16由与晶体振荡器18连接的电抗负载提供，如图中所示连接的变容二极管。晶体振荡器最好是现有技术所熟知的Colpitts设计。然而，同样可以采用其它设计。变容二极管提供一个提供可变电抗的低成本方法。然而，其它本领域可得到的可调谐电抗负载元件，如压变电容(VVC)，也能成功地用于本发明。

存储器28最好通过位于无线器件或通信装置中的现有存储元件提供。最有利的是，存储器28就是无线器件中的主微处理器或微控制器，因为它们已经存在。然而，无论无线器件中已经存在，还是单独提供，其它可得到的存储器件也可以采用，如数字信号处理器，PROM,EPROM,EEPROM,SRAM,DRAM，数模转换器，以及类似器件。

采用现有存储器件的好处在于在晶体振荡器模块12中不再需要单独的冗余存储元件，这使得成本大大节约。此外，如果可得到一个具有模拟输出的存储器件，如有一个板上D/A，那么本发明的信号产生器32就可以省去。然而，应该注意的是，在这个例子中，必须用晶体振荡器模块12中稳压器34来驱动存储器件，以保持以上讨论过的温度特性化优点。

采用预先确定的数字数据30对存储器28进行编程，这个预先确定的数字数据基本相应于晶体振荡器模块12对温度频率偏差的反函数。对于采用最好是AT切割晶体的晶体振荡器18，反函数相应于所熟知的Benchmann曲线，它可以很好地被三阶或更高阶的n阶多项扩展特性化。在对Benchmann曲线特性化中，为得到更高的精确性，最好是四阶扩展式。然而，更高阶的最佳吻合多项式(n≥7)将提供更高的精确性。

在工作中，为每个晶体振荡器模块12计算Benchmann曲线的多项式系数，并且这些值被编程到存储器28中。另外，存储器28也可以用晶体振荡器模块12在离散温度范围内实际偏差的对照表进行编程，其结果可以被调用，并作为数字数据30提供给信号产生器32。在这个例子中，对照表中的数字数据对应于由温度传感器24提供给存储器28的温度信号26。此外，这也需要更多存储空间，但性能同样地好。

作为附加的优点，稳压器34和调谐电路16的对温度的偏差会自动并入到预先确定的数字数据30中去，因为晶体振荡器模块12作为整个单元进行温度特性化。存储器28提供相应于Benchmann曲线反函数的数字数据30给信号产生器32，以转变成模拟温度补偿信号22，来驱动晶体振荡器模块12的调谐电路16。存储器28和信号产生器32不需要温度特性化，因为它们对温度的偏差不是很重要。然而，本发明中没有电路来防止它的产生。

本发明的优点在于用晶体振荡器模块稳压器34来偏置优选是D/A转换器的信号产生器32，这个稳压器对温度的电压变化已特性化。这样，根据本发明，来自D/A转换器的温度补偿信号22，根据稳压器34中电压变化被固有地修正。晶体振荡器模块的稳压器34对D/A转换器的偏置，导致频率稳定性从大约5ppm提高到大约2ppm。此外，无需使用板上晶体振荡器模块12中的ASIC温度补偿电路就可以取得这个提高。这使得成本大大节约。

图3示出了根据本发明的包括温度补偿电路的通信装置200的框图。在一种实施方法中，通信装置200是一个收发信机。通信装置200包括一个熟知的在微控制器210或微处理器控制下工作的频率合成双工收发信机。通信装置200包括一个接收机220和一个发送机230，它们通过天线240接收和发送RF。天线240在接收机220和发送机230间通过天线开关250进行适当切换。通信装置200还包括熟知的在微控制器210控制下提供接收机本地振荡信号262和发送机本地振荡信号264的锁相环合成器260。温度补偿电路包括为合成器260提供参考振荡器信号272以及为微控制器210提供温度信号280的参考振荡模块300。微控制器210通过信号产生器292给参考振荡器模块300提供温度补偿信号290。参考振荡信号272利用本发明的原理进行温度补偿。

图4示出了根据本发明的提供温度补偿参考频率输出的方法400流程图。这个方法400包括提供用数字数据编程的存储器的第一步402，这些数字数据相应于晶体振荡器，信号产生器，稳压器，温度传感器以及与晶体振荡器连接的调谐电路中至少一个的对温度的偏差。第二步404包括用稳压器驱动温度传感器，以便提供一个相应于环境温度的温度依赖信号。第三步406包括将温度依赖信号传给存储器，以便提供相应于晶体振荡器频率变化的数字数据。存储器包括一个具有相应于晶体振荡器频率偏差的预先确定数字数据的对照表。第四步408包括当相关无线电路没有发送或接收时，将数字数据加到信号产生器上，以便把温度补偿信号提供给晶体振荡器的调谐电路。最后一步410包括用来自稳压器的温度特性化的稳压输出对信号产生器进行偏置，以便稳压输出的变化在数字数据中得到补偿，从而提高晶体振荡器的温度补偿。

尽管本发明的各种实施方法已经示出并且进行了阐述，但应该清楚的是各种调整，替代方式，以及上面实施方法的重新安排和组合，可以为本领域的技术人员所实现，而没有超出本发明的范围。

Claims (9)

1.一个晶体振荡器的温度补偿电路，它包括：

一个与晶体振荡器电学连接的调谐电路，这个调谐电路相应于温度补偿信号调整晶体振荡器的输出频率；

一个提供相应于晶体振荡器环境温度的温度信号的温度传感器；

一个与温度传感器电学连接并编程以提供相应于温度信号的预先确定的数字数据，这个预先确定的数字数据被编程，作为晶体振荡器以及调谐电路对温度偏差的函数进行变化，这个存储器当相关无线电路发送或接收时，将阻止提供的预先确定的数字数据的变化；

一个与存储器电学连接的信号产生器，这个信号产生器相应于预先确定的数字数据将温度补偿信号提供给调谐电路；以及

一个提供稳压输出给信号产生器的稳压器，这个稳压器与温度传感器电学连接。

2．权利要求1的温度补偿电路，其中信号产生器是一个位于相关无线电路中的数模转换器。

3．权利要求2的温度补偿电路，其中数模转换器在提供锁存温度补偿信号给调谐电路和提供无线通信功能间复用。

4．权利要求1的温度补偿，其中存储器有一个提供相应于预先确定的数字数据的温度补偿信号，以及绕过信号产生器直接加到调谐电路上的模拟输出。

5．权利要求4的温度补偿，其中存储器由稳压器提供电源。

6．一个具有发送机，接收机，存储器以及温度补偿电路的通信装置，它包括：

进行编程以提供相应于温度信号的预先确定的数字数据的存储器，这个预先确定的数字数据被编程，作为局部振荡器电路元件对温度偏差的函数进行变化，存储器在相关无线电路发送或接收时将阻止提供的预先确定的数字数据的变化；

一个与存储器电学连接的信号产生器，这个信号产生器相应于来自存储器的预先确定的数字数据提供温度补偿信号给局部振荡器电路；以及

产生局部振荡信号的局部振荡电路包括一个温度依赖的晶体振荡器，这个晶体振荡器包括：

与晶体振荡器电学连接的调谐电路，这个调谐电路相应于温度补偿信号调整晶体振荡器的输出频率；

一个与存储器电学连接并提供相应于晶体振荡器环境温度的温度信号给存储器的温度传感器；以及

一个提供稳压输出给信号产生器的稳压器，这个稳压器与温度传感器电学连接。

7．权利要求6的通信装置，其中预先确定的数字数据被编程，作为局部振荡器电路中至少一个对温度偏差的函数进行变化，这个局部振荡电路包括温度传感器，调谐电路，晶体振荡器以及稳压器。

8．权利要求6的通信装置，其中信号产生器是一个位于相关无线电路中的数模转换器。

9．权利要求8的通信装置，其中数模转换器在提供锁存温度补偿信号给调谐电路和提供无线通信功能间复用。

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