CN1697309A - 一种模拟温度补偿晶体振荡器 - Google Patents

Abstract

一种温度补偿晶体振荡，包括温度传感器、补偿电压发生器和压控晶体振荡器三个部分。补偿电压发生器将温度传感器输出的随温度变化的模拟电压信号转变为补偿电压信号；压控晶体振荡器在温度补偿电压的作用下输出稳定的频率信号。所述补偿电压发生器为一种三次电压发生器，由高温部分、低温部分、线性部分和电压累加电路等四个电路单元组成，前三个电路分别产生高温段、低温段和线性段的补偿电压；将这三个电压信号经电压累加电路叠加在一起，就成为整个压控晶体振荡器的温度补偿电压，该温度补偿电压还能够根据压控晶体振荡器不同的频率特性进行调整。该振荡器具有电路简单、体积小、成本低和适于低集成度的批量生产等优点，尤其适用于移动通信领域中作为移动电话信道频率的基准。

Description

一种模拟温度补偿晶体振荡器

技术领域

本发明属于电子技术领域，它特别涉及一种温度补偿晶体振荡器。

背景技术

温度补偿晶体振荡器(TCXO)是一种能在较宽的温度范围内工作且频率稳定性较高的频率发生器，它主要通过自身温度补偿系统来进行自动调节，以达到稳定频率的目的。它不仅体积小，而且具有高稳定性，应用领域日益扩展，可以应用在广播、测量、移动通信基地站以及移动电话手机和PHS等诸多领域。尤其在移动通信领域，主要作为移动电话信道频率的基准，已获得了广泛应用。

由于AT切石英晶体谐振器的频率特性曲线为近似三次曲线，而晶体振荡器的f-T特性主要由其中的晶体谐振器的温度特性决定，所以未进行温度补偿时的TCXO(温度补偿晶体振荡器)的温度特性曲线也近似为三次曲线。因此需要产生温度补偿电压加在VCXO上进行温度补偿以抵消此频率温度特性，从而得到在较宽温度范围内的稳定的频率输出。

目前，在TCXO中，温度补偿方法主要有模拟式(热敏电阻网络控制变容二极管，如图1)和数字式，其中模拟式基本上已经成熟，它是通过热敏电阻等温度敏感器件构成温度-电压变换电路，将该电压施加在与晶体振子串联的变容二极管上，利用晶体振子的串联电容的电容量变化对温度进行补偿。但是为使热敏电阻和电容器的电抗与不同石英晶振器的温度特性一致，必须进行选配，所以需对电阻、电容进行分类、更换，难以对温度补偿进行自动调整，并且IC化困难，在小型化上受限制而且人工成本太高。数字式温度补偿晶体振荡器(如图2所示)的方法是通过微处理器输出补偿电压，再把该补偿电压送给振荡回路中的变容器件，当补偿电压改变，变容器件的电容值随之改变从而改变振荡器的输出频率达到控制频率的目的，但是当其用于振荡器基准相位调制的设计时会出现潜在的相位跳变现象，而且，相应的调制特性也会变坏，另外，在数字温度补偿电压中产生数字特有的量化噪声，在TCXO的输出频率中作为相位噪声表现出来。然而在TDMA和CDMA等数字通信中，相位噪声特性很受重视。(图1出自赵声衡著，湖南大学出版社，《石英晶体振荡器》；图2出自《仪器仪表学报》2002年10月第23卷第5期增刊《新型微机补偿晶体振荡器》)。目前国内手机中大量应用的是日本Toyo Communication Equipment Co.Ltd生产的TCXO，它是一种间接的模拟温度补偿晶体振荡器。(参考论文Kenji Nemoto，Ken ichi Sato于2001年在Proceedings of the IEEEInternational Frequency Control上发表的《A 2.5PPM FULLY INTEGRATED CMOS ANALOGTCXO》)。由于目前日本四大通讯公司对这种温补晶振进行垄断生产，实行技术封锁，而目前国内仍然没有一个企业生产出相关产品来满足手机通信中的需求，而是大量的采用了进口日本的这种TCXO芯片，其框图如图3所示，它由温度传感器、电压参考、补偿、三次电压发生器、三个系数控制器(BOCTR、B1CTR和B3CTR)累加器、存储器EEPROM、压控晶体振荡器VCXO和自动频率牵引AFC组成。由于其结构复杂，进行大规模电路集成，成本较高。

发明内容

本发明基于日本生产的TCXO(见论文Kenji Nemoto，Ken ichi Sato于2001年在Proceedings of the IEEE International Frequency Control上发表的《A 2.5PPM FULLYINTEGRATED CMOS ANALOG TCXO》)而提出的一种适于集成和批量生产的一种温度补偿晶体振荡器。本发明采用模拟电路来实现TCXO，而舍去日本产品中的EEPROM等一些数字器件部分，只由温度传感器、三次电压发生器和VCXO部分组成，且电路结构简单，易于集成，能够大大减小体积并降低成本。

如图4所示，一种模拟温度补偿晶体振荡器，包括温度传感器、补偿电压发生器和压控晶体振荡器三个部分。温度传感器部分是将环境温度值转化为电压信号的装置，其作用是产生随温度变化的模拟电压信号；补偿电压发生器是将温度传感器输出的电压信号转变为补偿电压信号的装置。将温度传感器输出的随温度变化的模拟电压信号输入补偿电压发生器，补偿电压发生器将模拟电压信号进行转换，所产生的输出信号就是温度补偿电压；压控晶体振荡器在温度补偿电压的作用下输出所期望得到的稳定的频率信号。

本发明中所述的补偿电压发生器为一种三次电压发生器，如图5所示。它由高温部分、低温部分、线性部分和电压累加电路四个电路单元组成，高温部分、低温部分和线性部分分别产生高温段补偿电压、低温段补偿电压和线性段补偿电压；将这三个电压信号经电压累加电路叠加在一起，就成为整个压控晶体振荡器的温度补偿电压。将温度补偿电压输入到压控晶体振荡器，最后压控晶体振荡器就可以得到期望获得的已补偿后的稳定的频率信号，从而达到温度补偿的目的。由于采用了能够随着输入温度的变化而输出电压的温度传感器，这样温度传感器的输出电压通过三次电压发生器被转换成三次电压(温度补偿电压)。

由于不同的压控晶体振荡器的温度-频率特性并不相同，即便是同一批次生产出来的压控晶体振荡器，其温度-频率特性仍然有所差异，因此用于补偿的温度补偿电压也会由于不同，这就需要三次电压转换电路具有调整功能，即三次电压转换电路能够随压控晶体振荡器不同的频率特性进行调整，以产生不同的温度补偿电压。

利用三次电压发生器进行晶体振荡器温度补偿的原理如下：

因为AT切石英晶体的温度特性曲线可以很好的近似为一个三次曲线，可以表述为：

f(T)＝a₃(T-T₀)³+a₁(T-T₀)+a₀              (1)

这里a₃是三次系数项，a₁是一次系数项，a₀是T₀时的振荡频率，T₀是参考温度。而VCXO的线性增益特性可以近似表述如下：

f(VC)＝-G(VC-VC₀)+f₀                     (2)

G是VCXO的增益，VC是VCXO的控制电压，VC₀是VCXO的名义输入电压，f₀是输入为VC₀时的振荡频率。

那么，作为补偿晶振温度特性的电压VC(T)的方程式可以表述为：

VC(T)＝A₃(T-T₀)³+A₁(T-T₀)+A₀             (3)

此时，A₃＝a₃/G，A₁＝a₁/G。

为了实现方程式(3)，必须先实现三次电压发生器。

本发明利用对数指数电路来实现电压的三次方转换。其基本框图如图6所示。

温度传感器输出电压通过两个三次电压转变电路和线性电压转变电路，产生出三次电压和线性项电压。最后，每个输出电压通过累加电路进行求和。这样就得到随着温度变化的温度补偿电压。下面详细解释三次电压转变电路。

三次电压转变电路包括三个对数放大器，一个两倍增益放大器和一个指数放大器。从图3可知，由温度传感器转换而来的电压Vin分别输入到对数放大器1和对数放大器2中，而对数放大器2和对数放大器3的输出电压相减的两倍，然后与对数放大器1的输出电压相加，其结果输入到指数放大器中，最后就可以得到三次电压，在该电路图中，输出电压应该只是随着由温度传感器传来的输入电压而改变。

三次电压发生器的高温、低温部分具体电路图分别如图7、图8所示。

其中，三次电压转变电路高温部分的具体电路为：

对数放大器1由电阻R21、运算放大器AMP.21和晶体管Q21组成；对数放大器2由电阻R24、运算放大器AMP.22和晶体管Q24组成；对数放大器3由电阻R23、运算放大器AMP.23和晶体管Q23组成；指数放大器由电阻R22、运算放大器AMP.24和晶体管Q22组成；两倍增益放大器由一个运算放大器AMP.2和两个电阻R25、R26组成。

温度传感器的输出电压Vin作为三次电压发生器的输入电压，通过电阻R21与运算放大器AMP.21的负输入端相连，同时通过电阻R24与运算放大器AMP.22的负输入端相连。

高温部分的开启电压VH通过电阻R23与运算放大器AMP.23的负输入端相连。

参考电压Vref分别与运算放大器AMP.21、运算放大器AMP.22、运算放大器AMP.23和运算放大器AMP.24的正输入端相连；同时通过电阻R26与运算放大器AMP.2的负输入端相连；还与晶体管Q22、晶体管Q24的基极相连。

运算放大器AMP.21的输出端与晶体管Q21、晶体管Q22的发射极相连；运算放大器AMP.23的输出端与晶体管Q23、晶体管Q24的发射极相连；运算放大器AMP.22的输出端通过电阻R27与晶体管Q23的基极和运算放大器AMP.2的正输入端相连；运算放大器AMP.2的输出端与晶体管Q21的基极相连；晶体管Q23的集电极与运算放大器AMP.23的负输入端相连；电阻R25一端与运算放大器AMP.2的输出端相连，另一端与运算放大器AMP.2的负输入端相连；晶体管Q21的集电极与运算放大器AMP.21的负输入端相连；晶体管Q24的集电极与运算放大器AMP.22的负输入端相连；晶体管Q22的集电极与运算放大器AMP.24的负输入端相连，同时通过电阻R22与运算放大器AMP.24的输出端相连；运算放大器AMP.24的输出端所输出的信号V3H就是高温段的补偿电压。

三次电压转变电路的低温部分的具体电路结构与三次电压转变电路的高温部分相同，只需把npn管换成pnp管，以及开启电压为VL(即低温部分的开启电压)。

需要说明的是参考电压Vref、高温部分的开启电压VH和低温部分的开启电压VL可从外部电源获得。三次电压发生器中的晶体管也可用MOS管代替。

下面分析高温部分电路(如图7所示)：其中VH是高温部分的开启电压。

对于晶体管Q_2i(i＝1～4)的eb结电压Ф_2i有：

${\mathrm{\Φ}}_{2i}=U_{\mathrm{Ti}}\ln \frac{I_{e2i}+I_{s2i}}{I_{s2i}}\≅U_{\mathrm{Ti}}\ln \frac{I_{e2i}}{I_{s2i}}(I_{\mathrm{ei}}>>I_{\mathrm{si}})---\left(4\right)$

其中： $U_{\mathrm{Ti}}=\frac{\mathrm{KT}}{q},$ 是温度的函数；I_s2i是发射结的饱和电流。

由图7可知：

Ф₂₁-Ф₂₂＝2(Ф₂₃-Ф₂₄)                     (5)

把(1)式代入(2)式可得：

$U_{T1}\ln \frac{I_{e21}}{I_{s21}}-U_{T2}\ln \frac{I_{e22}}{I_{s22}}=2(U_{T3}\ln \frac{I_{e23}}{I_{s23}}-U_{T4}\ln \frac{I_{e24}}{I_{s24}})---\left(6\right)$

这里，使用了相同的晶体管，则有：

$\ln \frac{I_{e21}}{I_{e22}}=2\ln \frac{I_{e23}}{I_{e24}}$

即：

$I_{e22}=I_{e21}{\left(\frac{I_{e24}}{I_{e23}}\right)}^2.---\left(7\right)$

在电路图中，

$I_{e21}=\frac{V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{ref}}}{R_{21}}$ $I_{e23}=\frac{V_H-V_{\mathrm{ref}}}{R_{23}}$ $I_{e24}=\frac{V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{ref}}}{R_{24}}---\left(8\right)$

$I_{e22}=(V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{ref}})\frac{{R_{23}}^2}{R_{21}{R_{24}}^2}{\left(\frac{V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{ref}}}{R_{21}}\right)}^2---\left(9\right)$

$V_{3H}=R_{22}\·I_{e22}+V_{\mathrm{ref}}=\frac{{(V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{ref}})}^3}{{(V_H-V_{\mathrm{ref}})}^2}\·\frac{R_{22}\·{R_{23}}^2}{R_{21}\·{R_{24}}^2}+V_{\mathrm{ref}}=A_2{(V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{ref}})}^3+V_{\mathrm{ref}}---\left(10\right)$

三次发生器低温部分电路图如图8所示，其中VL为低温部分开启电压。

同理可得低温部分输出电压：

V_3L＝A₁(V_in-V_ref)³+V_ref                              (11)

则通过电压累加电路(如图9所示)后即形成补偿电压V_c，其中V1是线性电路的输出电压。电压累加电路的具体结构为：高温部分输出电压V3H、低温部分输出电压V3L和线性部分输出电压V1分别通过电阻R3、电阻R2和电阻R1与运算放大器AMP3的负输入端相连，并通过电阻R4与运算放大器AMP3的输出端相连；参考电压Vref输入到运算放大器AMP3的正输入端；运算放大器AMP3的输出端所输出的电压就是温度补偿电压Vc。

根据式(10)和式(11)以及累加电路图9可以得出补偿电压的公式：

当V_in＞V_ref时：

$V_C=V_{\mathrm{ref}}-\frac{R_4}{R_1}(V_1-V_{\mathrm{ref}})-\frac{R_4}{R_3}\·A_2{(V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{ref}})}^3---\left(12\right)$

且 $A_2=\frac{R_{22}\·{R_{23}}^2}{R_{21}\·{R_{24}}^2\·{(V_H-V_{\mathrm{ref}})}^2}$

当V_in＜V_ref时：

$V_C=V_{\mathrm{ref}}-\frac{R_4}{R_1}(V_1-V_{\mathrm{ref}})-\frac{R_4}{R_2}\·A_1{(V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{ref}})}^3---\left(13\right)$

且

$A_1=\frac{R_{12}\·{R_{13}}^2}{R_{11.}\·{R_{14}}^2\·{(V_{\mathrm{ref}}-V_L)}^2}---\left(14\right)$

由于不同晶体的温度特性的不一致性，这就需要对电路进行微调，本发明提出通过改变三个电阻值来分别实现对高温部分、低温部分、以及线性项三部分的控制，来满足温度控制自动化的需要。

根据补偿电压式(12)可知，在A₂中的电阻以及R₃中，通过调整其中的一个电阻值即可对高温部分进行微调。

同理，根据式(13)可知，在A₁中的电阻和R₂中，通过调节其中的一个电阻值即可对低温部分进行微调。

而线性电路部分可通过调整R₁的电阻值来实现。这样选定的三个电阻值就可以对整个电路的实现微调，而不需要背景技术所述方法中的利用RAM、EEPROM等数字器件来控制实现。

例如直接调整R3来控制高温部分，R2来控制低温部分以及R1来控制线性形项就是一组实现例。通过改变这三个电阻值在电阻值变化±50％范围内来实现对不同晶体的微调的仿真结果，如图10所示。

本发明的实质是：借鉴日本生产的TCXO，简化了它的电路，保留了它的温度传感器、三次电压发生器以及VCXO部分作为一个系统，而舍去它的EEPROM等数字器件，并把三次电压发生器中的三个固定电阻设为可调电阻以实现温度补偿的自动化。这样体积小，降低了集成度以及适合于批量生产。

本发明与现有的温度补偿晶体振荡器相比，具有以下优点：

国内现有的实际应用方法是采用热敏电阻的模拟补偿电路，本发明由于采用了不含热敏电阻的模拟温度补偿方法，这样避免了为使热敏电阻和电容器的电抗与不同石英晶振器的温度特性一致，必须进行的选配的过程，降低了人工成本，而且舍去了热敏电阻，适于小型化。

现在国内大量应用的日本保密的TCXO，它采用EEPROM等来实现对晶体振荡器的温度特性的不一致的微调，本发明舍去了这些数字器件，提出只通过改变三个固定电阻来实现温度补偿的自动化，这样也可降低相位噪声和抖动，同时简化了电路，减小了模拟温度补偿晶体振荡器的体积，降低了其成本，适于低集成度的批量生产。

附图说明

图1是现有的模拟补偿方式原理图

其中，补偿网络是由热敏电阻和变容二极管等元件组成；R1，R2是电阻；CRYSTAL是石英晶体；DIONDE VARACTOR是变容二极管；振荡器是产生需要补偿而未补偿的频率的电路；

图2是现有的数字补偿方式原理图

其中，温度传感器是把当前温度转变成可测的电信号的装置；微处理器可以是单片机，DSP等器件；补偿电路主要是用微处理器输出的方波控制变容二极管来控制振荡电路的输出频率；振荡电路是产生需要补偿而未补偿的频率的电路；

图3是日本生产TCXO基本框图

图4是本发明的基本框图

其中，由温度传感器输出的随温度变化的电压信号，经过三次次电压发生器，转变为三次电压，这个电压被用于温度补偿电压，再经过VCXO后得到期望获得的已补偿后频率的信号。而通过改变三次电压发生器中的三个固定电阻即可实现温度补偿的自动化。

图5是三次电压发生器的具体框图

图6是三次电压转变电路的基本框图

图7是三次电压发生器高温部分具体电路原理图

图8是三次电压发生器低温部分具体电路原理图

图9是三次电压发生器累加电路部分具体电路原理图

图10是通过改变三个电阻值来实现晶体特性不一致性的仿真结果图

具体实施方式

在A₂中的电阻以及R₃中，调节其中的一个电阻阻值可以实现对高温部分微调。

在A₁中的电阻以及R₂中，调节其中的一个电阻阻值可以实现对低温部分的微调。

对线性电路部分的微调可以通过改变R₁的电阻值来实现。

如电路图9所示，直接调整R3来控制高温部分，R2来控制低温部分以及R1来控制线性形项就是一个具体实施方式。

对于选定的这三个电阻的阻值可以通过人工调整、激光调阻或者用数字电位器等方式来实现调整。

Claims (11)

1、一种模拟温度补偿晶体振荡器，包括温度传感器、补偿电压发生器和压控晶体振荡器，所述温度传感器产生随温度变化的模拟电压信号，该信号经所述补偿电压发生器转换为温度补偿电压并输入压控晶体振荡器，所述压控晶体振荡器在温度补偿电压的作用下输出稳定的频率信号，其特征是，所述补偿电压发生器为一种三次电压发生器，由由高温部分、低温部分、线性部分和电压累加电路等四个电路单元组成，高温部分、低温部分和线性部分分别产生高温段补偿电压、低温段补偿电压和线性段补偿电压；这三个电压信号经电压累加电路叠加在一起，就成为整个压控晶体振荡器的温度补偿电压。

2、根据权利要求1所述的模拟温度补偿晶体振荡器，其特征是，所述三次电压发生器的高温部分和低温部分具有相同的电路结构，均包括三个对数放大器、一个两倍增益放大器和一个指数放大器；温度传感器输出的模拟电压信号(Vin)分别输入到对数放大器1和对数放大器2中；对数放大器2和对数放大器3的输出电压相减的两倍，然后与对数放大器1的输出电压相加，其结果输入到指数放大器中，指数放大器输出的电压就是三次电压。

3、根据权利要求2所述的模拟温度补偿晶体振荡器，其特征是，所述三次电压发生器的高温部分的具体电路为：

对数放大器1由电阻(R21)、运算放大器(AMP.21)和晶体管(Q21)组成；对数放大器2由电阻(R24)、运算放大器(AMP.22)和晶体管(Q24)组成；对数放大器3由电阻(R23)、运算放大器(AMP.23)和晶体管(Q23)组成；指数放大器由电阻(R22)、运算放大器(AMP.24)和晶体管(Q22)组成；两倍增益放大器由运算放大器(AMP.2)和电阻(R25)、电阻(R26)组成；

温度传感器的输出电压(Vin)作为三次电压发生器的输入电压，通过电阻(R21)与运算放大器(AMP.21)的负输入端相连，同时通过电阻(R24)与运算放大器(AMP.22)的负输入端相连；

高温部分的开启电压(VH)通过电阻(R23)与运算放大器(AMP.23)的负输入端相连；

参考电压(Vref)分别与运算放大器(AMP.21)、运算放大器(AMP.22)、运算放大器(AMP.23)和运算放大器(AMP.24)的正输入端相连；同时通过电阻(R26)与运算放大器(AMP.2)的负输入端相连；还与晶体管(Q22)、晶体管(Q24)的基极相连；

运算放大器(AMP.21)的输出端与晶体管(Q21)、晶体管(Q22)的发射极相连；运算放大器(AMP.23)的输出端与晶体管(Q23)、晶体管(Q24)的发射极相连；运算放大器(AMP.22)的输出端通过电阻(R27)与晶体管(Q23)的基极和运算放大器(AMP.2)的正输入端相连；运算放大器(AMP.2)的输出端与晶体管(Q21)的基极相连；晶体管(Q23)的集电极与运算放大器(AMP.23)的负输入端相连；电阻(R25)一端与运算放大器(AMP.2)的输出端相连，另一端与运算放大器(AMP.2)的负输入端相连；晶体管(Q21)的集电极与运算放大器(AMP.21)的负输入端相连；晶体管(Q24)的集电极与运算放大器(AMP.22)的负输入端相连；晶体管(Q22)的集电极与运算放大器(AMP.24)的负输入端相连，同时通过电阻(R22)与运算放大器(AMP.24)的输出端相连；运算放大器(AMP.24)的输出端所输出的信号(V3H)就是高温段的补偿电压。

4、根据权利要求2所述的模拟温度补偿晶体振荡器，其特征是，所述三次电压发生器的电压累加电路为：高温部分输出电压(V3H)、低温部分输出电压(V3L)和线性部分输出电压(V1)分别通过电阻(R3)、电阻(R2)和电阻(R1)与运算放大器(AMP.3)的负输入端相连，并通过电阻(R4)与运算放大器(AMP.3)的输出端相连；参考电压(Vref)输入到运算放大器(AMP.3)的正输入端；运算放大器(AMP.3)的输出端所输出的电压就是温度补偿电压(Vc)。

5、根据权利要求3、4所述的模拟温度补偿晶体振荡器，其特征是，所述三次电压发生器高温段补偿电压可以通过调整电阻(R21)、电阻(R22)、电阻(R23)、电阻(R24)或电阻(R3)中的一个或多个阻值来实现微调。

6、根据权利要求5所述的模拟温度补偿晶体振荡器，其特征是，所述三次电压发生器高温段补偿电压通过调整电阻(R3)的阻值来实现微调。

7、根据权利要求3、4所述的模拟温度补偿晶体振荡器，其特征是，所述三次电压发生器低温段补偿电压可以通过调整电阻(R11)、电阻(R12)、电阻(R13)、电阻(R14)或电阻(R2)中的一个或多个阻值来实现微调。

8、根据权利要求7所述的模拟温度补偿晶体振荡器，其特征是，所述三次电压发生器低温段补偿电压通过调整电阻(R2)的阻值来实现微调。

9、根据权利要求3、4所述的模拟温度补偿晶体振荡器，其特征是，所述三次电压发生器线性段补偿电压可以通过调整电阻(R1)的阻值来实现微调。

10、根据权利要求3所述的模拟温度补偿晶体振荡器，其特征是，所述三次电压发生器中的晶体管可用MOS管代替。

11、根据权利要求6、8、9所述的模拟温度补偿晶体振荡器，其特征是，所述三次电压发生器中的电阻(R3)、电阻(R2)或电阻(R1)三个电阻的阻值可以通过人工调整、激光调阻或者用数字电位器等方式来实现调整。

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