CN1238074A - 晶体震荡器的温度补偿电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于通信装置(200)的晶体振荡器模块(12)的温度补偿电路(10)。用通信装置(200)现有的微控制器(210)来为晶体振荡器(18)提供温度补偿数字化数据(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。温度补偿数字化数据(30)在数/模转换器中转换成控制晶体振荡器频率的温度补偿信号(22)。然而，数/模转换器一般由稳压器驱动，而稳压器的电压随温度而变。为了解决这个问题，使晶体振荡器模块(12)包括板上稳压器(34)，它给数/模转换器提供特性化稳压输出(36)，以便来自数/模转换器的温度补偿信号(22)对于稳压器(34)电压的变化进行固有的修正。这使得输出频率(20)的稳定性从约5ppm提高到大约2ppm。

Description

晶体振荡器的温度补偿电路
发明领域
本发明一般涉及用于无线通信装置的晶体振荡器，尤其涉及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。
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，在一个较宽的温度范围内提供频率稳定的无线通信。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，提供电容元件以对振荡器最终频率进行绝对调整。这个电容元件通常采用微调电容，或采用DC电压控制的模拟变容二极管。用户可以通过调整该电容将振荡器调整(频率微调)到所期望的最终频率。一般来说，具有温度补偿的晶体振荡器提供对于温度的频率稳定性约为百万分之5(ppm)。
正象本领域的技术人员所熟知的，无线通信装置的工作频率对温度的变化，不仅依赖于参考晶体，而且还依赖于对温度敏感的相关电路元件。模拟变容二极管本身随温度的变化与晶体随温度的变化不同，必须通过施加电压对其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，很难获得恒定电压，因为即使给稳压器提供恒定的输入电压，稳压器也会随温度而改变其输出电压。为了使变容二极管自身获得良好的温度性能，就需要非常稳定的电压。然而，这需要采用更昂贵的稳压器电路，因此往往不作这种选择。因此，从没进行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，将使晶体振荡器的温度性能下降。
这就需要一个温度补偿的参考频率源：它采用比较简单的电路进行温度补偿；不需要专门的存储温度补偿值的存储器，可以采用更少更廉价的元件，并提供对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，可望提供低成本、小尺寸、低漏电流、高成品率、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。
附图简述
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是使用了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。
优选实施方法详述
图1示出了根据本发明提供充分温度补偿的频率输出20的温度补偿电路10。在电路10中，存储器28通过信号发生器32给晶体振荡器模块12提供温度补偿的数字化数据30。存储器28最好是无线电路板14上的现有器件，这可以节约成本。信号发生器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中。信号发生器22要么放在无线电路板14上，要么在晶体振荡器模块12上。然而，晶体振荡器模块12上要增加额外的输入输出管脚，以供数字化数据30使用。
一般来说，无线电路没有温度补偿会导致因温度而出现错误。当用没有进行温度补偿的信号驱动温度敏感器件，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、并用温度补偿信号驱动晶体振荡器的信号发生器，会由于未特性化的稳压输出随温度的漂移而引入误差。现有技术中的晶体振荡器试图通过把所有温度敏感电路，包括稳压器和存有温度补偿数据的存储器合并到一个模块内，然后对其温度进行特性化来解决这一问题。然而，这个方法要求采用大尺寸的、具有昂贵的板上专用集成电路(ASIC)存储器的模块来容纳所有的元件。
本发明通过采用现有外部存储器28(这能节约成本)，以及用晶体振荡器模块12中的稳压器34给信号发生器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，并且温度补偿输出频率20得到显著提高。本发明采用无线器件的现有存储器28而不用板上晶体振荡器模块12中独立的存储器，对晶体振荡器18，调谐电路16以及信号发生器32提供了良好的的温度补偿。
晶体振荡器18的温度补偿电路10包括与晶体振荡器19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，用来根据温度补偿信号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根据晶体振荡器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，对其进行编程来提供相应于温度信号26的预先确定的数字化数据30。预先确定的数字化数据被编程，作为晶体振荡器模块12对温度频率偏差的函数进行变化。预先确定的数字化数据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连接到温度传感器24，给其提供稳压输出36。信号发生器32与存储器28电学连接。如图所示，信号发生器32要么位于晶体振荡器模块12中，要么位于无线电路板14上。信号发生器32响应来自存储器28的预先确定的数字化数据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不利的影响。未补偿的稳压器具有伏/每度(V/℃)的关系，它加到信号发生器22上时，会引起补偿信号电压随温度的变化而变化。
最好是，晶体振荡器模块12中温度特性化的稳压器34输出稳压电压36为信号发生器32提供电源。这个特性化信息纳入到提供给振荡器模块12的信息中。在初始测试中，当振荡器模块12的温度扫描过整个温度范围时，温度传感器24，调谐电路16和稳压器34的数据被记录下来。然后用这个数据来计算所要求的信号发生器32的补偿信号22，把每个振荡器模块12的该数据提供给无线通信装置生产者的最终用户。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10已经一起温度特性化，所以特性化的稳压输出36可有效地给信号发生器32提供电源。这样，来自信号发生器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的整体温度补偿性能，其中由于晶体振荡器模块12提供的特性化的信息而使信号发生器32产生的补偿信号22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。调谐电路10根据频率微调信号38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。信号发生器32很容易由数字/模拟(D/A)转换器提供。然而，也可采用其它类似电路。一般地说，采用的D/A转换器位于无线电路板14上。然而，如果形成了合适的数据连接，那么它可以位于晶体振荡器模块12中。
现有技术的D/A转换器由无线电源稳压器(没有画出)提供电源。与此不同，本发明的显著和未预料的优点是用晶体振荡器模块12中的稳压器34来对D/A转换器提供电源。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的温度稳定性要好于2ppm。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，该D/A转换器的输出(温度补偿信号22)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D/A转换器22提供偏置，其输入阻抗与现有技术的无线器件中D/A转换器大致相同，以便保持一致的温度补偿。以上实施方法的另外一种方法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级连的二极管串，一个热敏电阻或一个晶体管提供。二极管串成本当然是最低的。热敏电阻一般在批与批和单元与单元之间的制造中存在冗余偏差。二极管串可以集成化，所以尺寸和电流可以做得基本精确匹配。在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。集成使得制造的二极管尺寸匹配很好，所以电流也匹配得很好，这是用二极管串来提供可重复电压的优点。
每个温度传感器二极管上的电压大约为：
VD≈Error!)*ln Error!)
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，iD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2VD的温度信号。工作时，室温下VD大约0.6V，而由于采用本发明的集成制造工艺使得温度传感器具有重复性很好的约4mV/℃的温度信号敏感度。
温度传感器的二极管有基本固定的(iD/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实际确定其温度的变化。另外，为了更精确也可以对每个温度传感器温度特性化。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。
应该认识到，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。在所示的低电压电源实施方法中，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。采用变容二极管是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(VVCs)，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，也可以采用其它可得到的存储器件，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，那么本发明的信号发生器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中的稳压器34来驱动存储器件，以保持以上讨论过的温度特性化优点。
用预先确定的数字化数据30对存储器28进行编程，这个预先确定的数字化数据基本相应于晶体振荡器模块12对温度的频率偏差的反函数。对于采用AT切割晶体(这是最佳切割)的晶体振荡器18，其反函数相应于熟知的Bechmann曲线，它可以很好地用三阶或更高阶的n阶多项展开式特性化。在对Bechmann曲线特性化中，为得到更高的精确性，最好是四阶展开式。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Bechmann曲线的多项式系数，并将这些值编程到存储器28中。另外也可以用晶体振荡器模块12在离散温度范围内实际频率偏差的对照表对存储器28进行编程，其结果可以被调用，并作为数字化数据30提供给信号发生器32。在这种情况下，对照表中的数字化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。这也需要更多存储空间，但性能同样地好。
另外的优点是：因为晶体振荡器模块12作为整体单元进行温度特性化，所以稳压器34和调谐电路16对温度的偏差会自动并入到预先确定的数字化数据30中去。存储器28给信号发生器32提供相应于Bechmann曲线反函数的数字化数据30，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和信号发生器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，本发明不禁止这样做。
本发明的优点在于用晶体振荡器模块的稳压器34来偏置信号发生器32(最好是D/A转换器)，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固有地修正稳压器34中电压的变化。用晶体振荡器模块的稳压器34对D/A转换器进行偏置，使频率稳定性从大约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使温度稳定性提高3ppm。这使成本大大节约。
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是收发信机。通信装置200包括熟知的在微控制器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包括接收器220和发送器230，它们通过天线240接收和发送RF。天线240在接收器220和发送器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控制下提供接收器本地振荡信号262和发送器本地振荡信号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通过信号发生器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的流程图。这个方法400的第一步402包括提供周数字化数据编程的存储器，这些数字化数据相应于晶体振荡器，信号发生器，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，以便提供相应于环境温度下晶体振荡器频率变化的数字化数据。存储器包括具有相应于晶体振荡器频率偏差的预先确定的数字化数据的对照表。第四步408包括将数字化数据加到信号发生器上，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发生器进行偏置，以便在数字化数据中对稳压输出的变化进行补偿，从而改进晶体振荡器的温度补偿性能。
尽管本发明的各种实施方法已经示出并且进行了阐述，但应该清楚的是上述实施方法的各种调整，替代，以及重新安排和组合，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 (10)

1．一种晶体振荡器的温度补偿电路，它包括：
与晶体振荡器电学连接的调谐电路，这个调谐电路根据温度补偿信号调整晶体振荡器的输出频率；
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；
一种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化数据，这个预先确定的数字化数据被编程，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；
与存储器电学连接的信号发生器，这个信号发生器相应于预先确定的数字化数据将温度补偿信号提供给调谐电路：以及
提供稳压输出给信号发生器的稳压器，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，还包括连接到调谐电路的频率微调信号，其中调谐电路响应频率微调信号调节晶体振荡器的标定输出频率。
3．权利要求1的温度补偿电路，其中信号发生器是数/模转换器。
4．权利要求1的温度补偿电路，其中温度传感器选自二极管串、热敏电阻及晶体管。
5．权利要求1的温度补偿电路，其中调谐电路包括变容二极管。
6．权利要求1的温度补偿电路，其中存储器选自微处理器、微控制器、数字信号处理器、PROM、EPROM、EEPROM、SRAM、DRAM，及D/A转换器。
7．对晶体振荡器进行温度补偿的方法，包括以下步骤：
提供用相应于选自晶体振荡器、信号发生器、稳压器、温度传感器及连接到晶体振荡器的调谐电路中至少一个对温度的偏移的数字化数据编程的存储器；
用稳压器驱动温度传感器，以提供相应于环境温度的温度依赖信号；
把温度依赖信号连接到存储器，以提供环境温度下相应于晶体振荡器频率偏移的数字化数据；
把数字化数据提供给信号发生器，以把温度补偿信号提供给晶体振荡器的调谐电路；
用来自稳压器的温度特性化稳压输出来偏置信号发生器，以在数字化数据中对调节电压的变化进行补偿，由此改善晶体振荡器的温度补偿性能。
8．权利要求7的方法，其中提供步骤包括信号发生器是数/模转换器。
9．权利要求7的方法，其中提供步骤包括温度传感器选自二极管串、热敏电阻及晶体管。
10．权利要求7的方法，其中提供步骤使调谐电路包括变容二极管。
CN97199871A 1996-12-17 1997-10-15 晶体震荡器的温度补偿电路 Pending CN1238074A (zh)

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