CN1829076A - 高精度温度补偿晶体振荡器 - Google Patents

Abstract

一种高精度温度补偿晶体振荡器，属于电子器件。包括晶体振荡器、反相器、压控电容器及温度补偿电路。温度补偿电路包括输入SD、SCL的接口，一次性可编程存储器，分别与该存储器的A、B、C、TO和SO五设置输出端连接的五个数模转换器，参照电压源，全系数多项式补偿函数发生器及温度传感器。函数发生器的输出端与反相器输入端连接。该可编程存储器的C1、C2的输出端分别与两电容开关控制端连接。两电容开关分别连接在晶体振荡器的两端和地之间。反相器的输入端和地之间连接压控电容器。它在－40℃～+85℃的范围内频率精度高达±1×10^－6以下。它结构简单、高可靠。频率范围达5～30兆赫。可广泛应用于各种电路尤其是数字电路中。

Description

高精度温度补偿晶体振荡器

                          技术领域

本发明属于电子器件技术领域，更明确地说涉及高精度温度补偿晶体振荡器的改进。

                          背景技术

温度补偿晶体振荡器是一种在各种电子线路中有着广泛用途的电子振荡器。它提供脉冲时钟信号作为数字信号的触发基准。无线及宽带通讯设备器材如手机、无线局域网、GPS、DSL和CABLE收发器等等，对时钟信号的精度都有非常高的要求，一般为(2～3)×10^-6。对于这样高的精度，由简单的振荡晶体和反相器组成的电子振荡器在一定的温度范围内已不能达到要求。在-40℃～+85℃的温度范围内，上述简单电子振荡器的精度只能达到±50×10^-6。所以必须给简单电子振荡器加上温度补偿器或温度补偿电路(Temperature Compensator)。

常见的温度补偿晶体振荡器包括温度补偿器、压控电容器和电子振荡器。温度补偿器根据温度曲线产生补偿电压加于压控电容器，压控电容器的电容量将相应变化。电容量的变化可以改变晶体的谐振频率从而补偿晶体频率的温度漂移。

温度补偿晶体振荡器的关键是如何设计温度补偿器。温度补偿器的输入变量是温度而输出变量是电压。其间的函数关系是非线性关系。目前常用的函数关系为二次多项式和没有二次项的三次多项式。以这两种函数关系构造的温度补偿晶体振荡器，很难达到所要求的精度要求。根据申请人的实验和理论推导，理想的函数关系应为全系数三次多项式，即此三次多项式含有不为零的一次项和二次项。

                          发明内容

本发明的目的，就在于克服上述缺点和不足，提供一种高精度温度补偿晶体振荡器。它是以全系数三次多项式函数关系构造的温度补偿晶体振荡器，其依据的三次多项式含有不为零的一次项和二次项。因此，在-40℃～+85℃的温度范围内，其频率精度可以控制在±1×10^-6以下。其温度补偿器结构简单、性能可靠，其频率范围可达5～30兆赫。

为了达到上述目的，本发明包括与晶体振荡器并联的反相器、连接在晶体振荡器和地之间的压控电容器以及控制压控电容器的温度补偿电路。温度补偿电路包括输入SD、SCL双线和VP信号的接口，与接口连接的一次性可编程存储器，分别与一次性可编程存储器的A、B、C、TO和SO五种设置数据的输出端连接的五个数模转换器，输入五个数模转换器的参照电压源，与五个数模转换器连接的全系数多项式补偿函数发生器以及与全系数多项式补偿函数发生器的输入端连接的温度传感器。全系数多项式补偿函数发生器的输出端与反相器的输入端连接。一次性可编程存储器的寄存器C1、C2设置数据的输出端分别与两个电容阵列开关的控制端连接。两个电容阵列开关分别连接在晶体振荡器的两端和地之间。反相器的输入端和地之间还连接着压控电容器。

全系数多项式补偿函数发生器包括将温度传感器的输出电压和C设置数据相加的加法器一、将加法器一的输出数据和A设置数据相乘的乘法器一、将加法器一的输出数据和TO设置数据相乘的乘法器二、将加法器一和乘法器一的输出数据相乘的乘法器三、将乘法器三和乘法器二的输出数据以及B设置数据相加的加法器二、将加法器一和加法器二的输出数据相乘的乘法器四、将SO设置数据和压控晶体振荡器的VC值相乘的乘法器五以及将乘法器五的输出数据和乘法器四的输出数据VT相加的加法器三。加法器三的输出值亦即全系数多项式补偿函数发生器的输出值连接到反相器的输入端。

全系数多项式补偿函数发生器还与3～4个不同温度点的频率测量数据连接。

一次性可编程存储器为34位，包括C1、C2、A、B、C、TO和SO共七种设置数据，上述设置数据分别有4、6、8、4、4、4和4个数位。

本发明的输出端由反相器的输出端经缓冲器组成。

压控电容器由MOS型压控电容组成，电容可调范围在5pF到10pF之间。参照电压源由MOS型场效应管组成。

本发明的温度补偿电路采用一个新结构，它可分为四部分：带压控电容器(变容二极管)的晶体振荡器及开关电容阵的压控振荡器、全系数多项式补偿函数发生器、温度传感器以及带有SPI接口的一次性可编程的只读储存器。全系数多项式补偿函数发生器由加法器和乘法器组成。全系数多项式补偿函数发生器的输入是由芯片上的温度传感器提供的温度电压，其输出电压VT被加到VCXO(压控晶体振荡器)的VC上来补偿频率漂移。

VC电压的变化会引起变容二极管的电容值的变化。变容二极管的电容值的变化决定了晶体振荡器频率。全系数多项式补偿函数发生器的多项式的系数是由三到四个温度频率测量来校正的。这样晶体频率温度漂移可以被补偿器的输出电压来纠正。

本发明的目的就是这样达到的。

本发明依据全系数三次多项式温度补偿晶体振荡器的设计原理和最佳温补系数的测算方法，提供了一种高精度温度补偿晶体振荡器。在-40℃～+85℃的温度范围内，其频率精度可以控制在±1×10^-6以下。其温度补偿器结构简单、性能可靠，其频率范围可达5～30兆赫(取决于晶体的频率)。它还有下述优点或特点：温度补偿范围宽；温度补偿器采用全系数三阶多项式函数关系；低功耗，＜5mw；振荡器灵敏度可选控；采用SPI接口；采用一次性可编程的(OTP)修正；管芯(die)尺寸小，低于1.5mm²。

本发明可广泛应用于各种电子线路尤其是数字电路中。

                          附图说明

图1为本发明的结构原理图。

图2为一次性可编程存储器的各设置数据与其数位对照表。

图3为已有温度补偿晶体振荡器的方框图。

图3所示，已有温度补偿晶体振荡器包括与晶体振荡器并联的反相器、连接在晶体振荡器和地之间的压控电容器以及控制压控电容器的温度补偿电路。

                          具体实施方式

实施例1。一种高精度温度补偿晶体振荡器，如图1～图2所示。它包括与晶体振荡器1并联的反相器2、连接在晶体振荡器1和地之间的压控电容器3以及控制压控电容器3的温度补偿电路4。温度补偿电路4包括输入SD、SCL双线和VP信号的接口5，与接口5连接的一次性可编程存储器6，分别与一次性可编程存储器6的A、B、C、TO和SO五种设置数据的输出端连接的五个数模转换器7，输入五个数模转换器7的参照电压源8，与五个数模转换器7连接的全系数多项式补偿函数发生器9以及与全系数多项式补偿函数发生器9的输入端连接的温度传感器10。全系数多项式补偿函数发生器9的输出端11与反相器2的输入端连接。一次性可编程存储器6的寄存器C1、C2设置数据的输出端分别与两个电容开关12的控制端连接。两个电容开关12分别连接在晶体振荡器1的两端和地之间。反相器2的输入端和地之间还连接着压控电容器3。

全系数多项式补偿函数发生器9包括将温度传感器10的输出数据和C设置数据相加的加法器一13、将加法器一13的输出数据和A设置数据相乘的乘法器一14、将加法器一13的输出数据和TO设置数据相乘的乘法器二15、将加法器一13和乘法器一14的输出数据相乘的乘法器三16、将乘法器三16和乘法器二15的输出数据以及B设置数据相加的加法器二17、将加法器一13和加法器二17输出数据相乘的乘法器四18、将SO设置数据和压控晶体振荡器的VC值相乘的乘法器五19以及将乘法器五19的输出数据和乘法器四18的输出数据VT相加的加法器三20。加法器三20的输出值亦即全系数多项式补偿函数发生器9的输出值连接到反相器2的输入端。

全系数多项式补偿函数发生器9与4个不同温度点的频率测量21的数据连接。

一次性可编程存储器6为34位，包括C1、C2、A、B、C、TO和SO共七种设置数据，上述设置数据分别有4、6、8、4、4、4和4个数位。

本发明的输出端由反相器2的输出端经缓冲器22组成。

压控电容器3由MOS型压控电容组成，电容可调范围在5pF到10pF之间。参照电压源8由MOS型场效应管组成。

在本发明高精度温度补偿晶体振荡器芯片中，温度感应信号T是由芯片内置温度传感器10产生。其差动电压幅度在-0.4～0.4V之间。此电压范围对应室温范围为-40℃至+85℃。其对应关系为线性关系，线性误差小于0.5％。

在本发明高精度温度补偿晶体振荡器芯片中，含有一个34位一次性可编程存储器6。该存储器6的读写是由双线接口(SCL，SD)完成。在调试阶段此存储器6多次被读写。调试完成后，存储器6的固化可在VP管角上加一高电平完成。该一次性可编程存储器6的各设置数据与其数位对照表可见图2。

该存储器6还包括对照单元23(Mapping)，它将存储器6的控制设置数据转成数模转换器(DAC)可接受的数据形式。另外，双线接口除了完成收发存储器的数据外，它还包括一次性可编程存储器6的控制电路。

本芯片包括五个数模转换器7(DAC)，其中一个为八位，其余四个为四位。它的输入参照电压为1.27V。

本芯片使用了三个加法器与五个乘法器。所有这些运算器皆为差分结构。共模电压为了1.2V。其内部的线性度在1％之内。

压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator)由压控电容器3、反相器2、两个电容开关12阵列、缓冲器22和外部晶体1组成。振荡器的频率是由晶体1的本征频率和电容量决定。而压控电容器3由VT+VC决定。电容开关12阵列的电容由寄存器C1和C2来设定。压控电容器3(Varactor)是由MOS压控电容构成。电容可调范围在5pF～10pF。

参照电压源8(Voltage Reference)是由MOS FET构成。它提供数模转换器7(DAC)和温度传感器8的参照电压。

本发明的全系数多项式补偿函数发生器9为三次全系数多项式补偿器。芯片的主要调控机能由三次全系数多项式补偿器完成。全系数多项式补偿函数发生器9是由加法器和乘法器组成，补偿器9的输入是由芯片上的温度传感器10提供的温度电压T。补偿器9的输出电压VT被加到压控电压VC上。此函数发生器9是由三个加法器和四个乘法器组成。从系统框图可以看出，其输入变量T和输出变量VT之间的关系为：

VT＝A(T-T0)³+B(T-T0)²+C(T-T0)    (1)

式中的系数A、B、C和T0由SPI接口输入到芯片的寄存器或一次性可编程存储器6。存入寄存器的系数可不断修改，而系数输入到一次性可编程存储器(OTP)则是永久不变的。

为了获得精确的补偿器9的系数，最小均方差算法被用来计算这些多项式系数。通过用四个不同温度点测量的频率，这一算法可求出在频率误差最小均方意义下的最佳补偿系数。为了取得更优的结果，校正步骤可以反复使用。当得到最佳补偿系数后，将其存进一次性可编程存储器6(OTP)，芯片的调试便完成。

全系数多项式补偿函数的系数测算由下列步骤完成：

先选定四个初始参数：A₀，B₀，C₀，T₀，并输入到芯片的存储器6。随后在四个温点：T1＝-25℃，T2＝25℃，T3＝55℃，T4＝85℃，从芯片的输出端“OUT”测量芯片的四个时钟频率：F10、F20、F30、F40。

然后加一扰动dT₀在T₀上，并输入到芯片的存储器6。然后在同样四个温点上，从芯片的输出端“OUT”再测量芯片的四个时钟频率：

        F1T、F2T、F3T、F4T。

再用同样的方法扰动A₀，B₀，C₀，，并得到：

F1A，F2A，F3A，F4A；

F1B，F2B，F3B，F4B；

F1C，F2C，F3C，F4C.

从而可算出补偿误差多项式的系数R0、RT、RA、RB、RC，它们都是四维向量：

R0＝M^-1[F10 F20 F30 F40]^T

RT＝M^-1[F1T F2T F3T F4T]^T

RA＝M^-1[F1A F2A F3A F4A]^T

RB＝M^-1[F1B F2B F3B F4B]^T

RC＝M^-1[F1C F2C F3D F4D]^T

这里Matrix M有如下形式：

$M=\left(\begin{array}{cccc}1& T1-T_0& \mathrm{\Λ}& {(T1-T_0)}^3\\ M& M& M& M\\ 1& T4-T_0& \mathrm{\Λ}& {(T4-T_0)}^3\end{array}\right)$

从算出的补偿误差多项式系数R0、RT、RA、RB、RC，便可由下列公式得到最终的校正系数A₀′，B₀′，C₀′，T₀′：

T₀′＝T₀+(R0[3]/(RT[3]-R0[3])dT₀

A₀′＝A₀+(R0[4]/(RA[4]-R0[4])dA₀

B₀′＝B₀+(R0[3]/(RB[3]-R0[3])dB₀

C₀′＝C₀+(R0[2]/(RC[2]-R0[2])dC₀

将以上得到的A₀′，B₀′，C₀′，T₀′存入芯片的一次性可编程存储器6，全系数多项式补偿函数的参数校正便完成。

图1中其余字符说明如下：DAC为数/模转换；SCL为串行时钟线；SDA为串行数据线；TP2为针式插头，它将频率测量21的数据连接到全系数多项式补偿函数发生器的内部，用于控制。

实施例1依据全系数三次多项式温度补偿晶体振荡器的设计原理和最佳温补系数的测算方法，提供了一种高精度温度补偿晶体振荡器。在-40℃～+85℃的温度范围内，其频率精度可以控制在±1×10^-6以下。其温度补偿器结构简单、性能可靠，其频率范围可达5～30兆赫(取决于晶体的频率)。它可广泛应用于各种电子线路尤其是数字电路中。

Claims (8)

1.一种高精度温度补偿晶体振荡器，它包括与晶体振荡器并联的反相器、连接在晶体振荡器和地之间的压控电容器以及控制压控电容器的温度补偿电路，其特征在于温度补偿电路包括输入SD、SCL双线和VP信号的接口，与接口连接的一次性可编程存储器，分别与一次性可编程存储器的A、B、C、TO和SO五种设置数据的输出端连接的五个数模转换器，输入五个数模转换器的参照电压源，与五个数模转换器连接的全系数多项式补偿函数发生器以及与全系数多项式补偿函数发生器的输入端连接的温度传感器，全系数多项式补偿函数发生器的输出端与反相器的输入端连接，一次性可编程存储器的寄存器C1、C2设置数据的输出端分别与两个电容开关的控制端连接，两个电容开关分别连接在晶体振荡器的两端和地之间，反相器的输入端和地之间还连接着压控电容器。

2.按照权利要求1所述的高精度温度补偿晶体振荡器，其特征在于所说的全系数多项式补偿函数发生器包括将温度传感器的输出数据和C设置数据相加的加法器一、将加法器一的输出数据和A设置数据相乘的乘法器一、将加法器一的输出数据和TO设置数据相乘的乘法器二、将加法器一和乘法器一的输出数据相乘的乘法器三、将乘法器三和乘法器二的输出数据以及B设置数据相加的加法器二、将加法器一和加法器二的输出数据相乘的乘法器四、将SO设置数据和压控晶体振荡器的VC值相乘的乘法器五以及将乘法器五的输出数据和乘法器四的输出数据VT相加的加法器三，加法器三的输出值亦即全系数多项式补偿函数发生器的输出值连接到反相器的输入端。

3.按照权利要求1或2所述的高精度温度补偿晶体振荡器，其特征在于所说的全系数多项式补偿函数发生器还与3～4个不同温度点的频率测量数据连接。

4.按照权利要求1或2所述的高精度温度补偿晶体振荡器，其特征在于所说的一次性可编程存储器为34位，包括C1、C2、A、B、C、TO和SO共七种设置数据，上述设置数据分别有4、6、8、4、4、4和4个数位。

5.按照权利要求3所述的高精度温度补偿晶体振荡器，其特征在于所说的一次性可编程存储器为34位，包括C1、C2、A、B、C、TO和SO共七种设置数据，上述设置数据分别有4、6、8、4、4、4和4个数位。

6.按照权利要求5所述的高精度温度补偿晶体振荡器，其特征在于其输出端由反相器的输出端经缓冲器组成。

7.按照权利要求6所述的高精度温度补偿晶体振荡器，其特征在于所说的压控电容器由MOS型压控电容组成，电容可调范围在5pF到10pF之间。

8.按照权利要求7所述的高精度温度补偿晶体振荡器，其特征在于所说的参照电压源由MOS型场效应管组成。

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