DE102004021441A1 - Method for compensating a temperature-induced frequency error of a quartz crystal - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Kompensation eines temperaturbedingten Frequenzfehlers eines Schwingquarzes einer Echtzeituhr, insbesondere für Mobilfunk-Endgeräte, GPS-Empfangsgeräte oder dergleichen, wobei eine den Frequenzfehler (df/f) beschreibende Frequenzfehler-Temperatur-Kurve mindestens in einem Temperaturintervall stückweise durch eine temperaturabhängige Kennlinie einer elektronischen Schaltung approximiert wird und aus einer infolge der stückweisen Approximation gewonnene Kompensationsspannungs-Temperatur-Kurve eine temperaturabhängige Kompensationsspannung (Ust) erzeugt und für eine Frequenzabstimmung des Schwingquarzes angewendet wird.A method for compensating a temperature-induced frequency error of a quartz crystal of a real-time clock, in particular for mobile radio terminals, GPS receivers or the like, wherein the frequency error (df / f) descriptive frequency error temperature curve at least in a temperature interval piecewise by a temperature-dependent characteristic of an electronic circuit is approximated and generated from a compensation voltage-temperature curve obtained as a result of the piecewise approximation, a temperature-dependent compensation voltage (Ust) and is applied for a frequency tuning of the quartz crystal.

Description

Funkmodule und mobile Endgeräte, die nach den Spezifikationen des GSM-Mobilfunkstandards betrieben werden, enthalten als Frequenznormal und Zeitgeber eine als Echtzeituhr (Real Time Clock = RTC) bezeichnete Einrichtung zur Zeitmessung. Diese Einrichtung ist auch im ausgeschalteten Zustand aktiv und ermöglicht nach dem Einschalten des Gerätes eine Zeitbestimmung mit einer entsprechenden Ganggenauigkeit.RF modules and mobile devices, operated according to the GSM mobile standard specifications be included as frequency normal and timer as a real time clock (Real Time Clock = RTC) means for measuring time. This device is also active in the off state and allows after switching on the device a time determination with a corresponding accuracy.

Das frequenzbestimmende Bauelement der Echtzeituhr wird zumeist durch einen Schwingquarz in Form eines Quarz-Kristalls (fork generator) in einer Schwingquarzschaltung gebildet, der im GSM-Mobilfunksystem mit einer Nennfrequenz von 32.768 Hz schwingt. Für den Aufbau der Echtzeituhr bzw. des Kristalls des Schwingquarzes müssen die Anforderungen geringer Material- und Entwicklungskosten in Verbindung mit einem möglichst geringen Flächenverbrauch des Bauelements erfüllt sein. Weiterhin wird für die Echtzeituhr, insbesondere für den ausgeschalteten Modus, eine hinreichend niedrige Stromaufnahme von weniger als 500 nA gefordert. Schließlich muss für den Schwingquarz eine sehr enge Frequenztoleranz in einer Größenordnung von ±20ppm und eine gegenüber Temperaturschwankungen sehr hohe Frequenzstabilität erfüllt sein.The Frequency-determining component of the real-time clock is usually through a quartz crystal in the form of a quartz crystal (fork generator) formed in a crystal oscillator circuit in the GSM mobile radio system oscillates at a nominal frequency of 32,768 Hz. For the construction of the real-time clock or the crystal of the quartz crystal requirements must be lower Material and development costs in connection with a possible low area consumption of the device met be. Furthermore, for the real-time clock, especially for the off mode, a sufficiently low power consumption required by less than 500 nA. Finally, for the quartz crystal a very close frequency tolerance of the order of ± 20ppm and one opposite Temperature fluctuations very high frequency stability be met.

Bereits bestehende Frequenzkompensationsverfahren, die in Verbindung mit dem GSM-Standard jedoch nur im eingeschalteten Modus arbeiten, sichern eine hinreichend genaue Frequenzstabilität für die GSM-Funktionen des mobilen Endgeräts. Eine exakte Zeitsteuerung ist jedoch für zeitkritische Anwendun gen, beispielsweise Echtzeitsteuerungen, unerlässlich. Ein Beispiel für eine derartige zeitkritische Anwendung stellt eine Uhr mit einem integrierten GSM-Modul bzw. einem GSM-Telefon dar. Bei dieser Anwendung reicht die Frequenzgenauigkeit der nach dem Stand der Technik bekannten Ausführungsformen der Echtzeituhr nicht aus, um die geforderte Genauigkeit der Zeitmessung sicherzustellen. Die durch Temperaturveränderungen und die damit einhergehenden Frequenzveränderungen des Schwingquarzes hervorgerufenen Zeitfehler können beträchtliche Werte annehmen. Ohne den bereits im GSM-Modus verwendeten Kompensationsalgorithmus summiert sich der durch die Temperatur verursachte Frequenzfehler zu einem Fehler von bis zu 50 min/Jahr.Already existing frequency compensation methods associated with however, only work in switched-on mode when backing up to the GSM standard a sufficiently accurate frequency stability for the GSM functions of the mobile Terminal. A exact timing is however for time-critical applications, For example, real-time controls, essential. An example of such Time-critical application provides a clock with an integrated GSM module or a GSM telephone In this application, the frequency accuracy of the after known in the prior art embodiments of the real-time clock not sufficient to ensure the required accuracy of the time measurement. The by temperature changes and the associated frequency changes of the quartz crystal caused time errors can be considerable Accept values. Without the compensation algorithm already used in GSM mode adds up the frequency error caused by the temperature to an error of up to 50 min / year.

Standard ist in der GSM-Mobilfunkumgebung eine Frequenzfehlerkompensation der Echtzeituhr durch einen Basisbandprozessor, wobei vor allem eine fortlaufende Kalibrierung mit der im GSM-System gebräuchlichen 13/26 MHz GSM-Uhr ausgeführt wird. Dadurch kann die Genauigkeit während des GSM-Betriebs wesentlich erhöht und die Zeitabweichung auf weniger als 10 min/Jahr reduziert werden. Für die Anwendbarkeit dieses Verfahrens besteht jedoch die unerlässliche Hauptbedingung, dass das GSM-Basisband über die gesamte Zeit zugeschaltet sein muss, damit der Kompensationsalgorithmus aktivierbar ist. Diese ständige Aktivierung ist jedoch mit einem hohen Stromverbrauch verbunden und ist infolge der dadurch stark reduzierten Standbyzeit überaus nachteilig. Außerdem ist die Aktivierung der Kompensationsprozedur im ausgeschalteten Betriebsmodus, bei dem die Echtzeituhr als Zeitgeber weiterläuft, nicht möglich.default is a frequency error compensation in the GSM mobile environment the real-time clock through a baseband processor, and above all a continuous calibration with the common in the GSM system 13/26 MHz GSM clock running becomes. This can significantly improve the accuracy during GSM operation elevated and the time deviation is reduced to less than 10 min / year. For the Applicability of this method, however, is the indispensable Main condition that the GSM baseband switched on all the time must be, so that the compensation algorithm can be activated. These permanent Activation is associated with high power consumption and is extremely disadvantageous due to the greatly reduced standby time. Furthermore is the activation of the compensation procedure in the off Operating mode in which the real-time clock continues to run as timer, not possible.

Eine weitere Korrekturmöglichkeit des temperaturinduzierten Frequenzfehlers der Echtzeituhr ist durch der Einsatz tempe raturstabilisierter Quarzmodule gegeben. Diese sind jedoch infolge ihres konstruktiven Aufwands sehr teuer und erlauben daher aus Gründen der Wirtschaftlichkeit keine breite Anwendung in mobilen GSM-Endgeräten.A further correction option the temperature-induced frequency error of the real-time clock is through the use of temperature-stabilized quartz modules is given. These However, due to their constructive effort are very expensive and therefore allow for reasons the economy is not widely used in mobile GSM terminals.

Schließlich können Referenzen von anderen Zeitquellen, beispielsweise dem GPS-System oder bekannten Zeitsendern genutzt werden. Hierfür müssen die GSM-Endgeräte jedoch mit zusätzlichen Einrichtungen und Funktionalitäten für den Empfang und die Verarbeitung dieser dem GSM-System an sich fremden Signalgeber ausgestattet werden, wodurch sich der Aufbau der Geräte zum Teil unnötig verkompliziert.Finally, references can from other time sources, such as the GPS system or known Time transmitters are used. For this, however, the GSM terminals must with additional Facilities and functionalities for the Reception and processing of this the GSM system itself foreign Signalers are equipped, which reduces the structure of the devices in part unnecessary complicated.

Es ergibt sich somit die Aufgabe, ein Verfahren zur Kompensation des durch Temperaturänderungen verursachten Frequenzfehlers der Echtzeituhr in einem Gerät der oben erwähnten Art anzugeben, bei der in einer einfach realisierbaren, kostengünstigen und stromsparenden Weise der Frequenzfehler der Echtzeituhr weitgehend kompensiert und der daraus resultierende Zeitfehler nachhaltig reduziert werden kann. Weiter soll eine entsprechende Schaltungsanordnung bereitgestellt werden.It Thus, the task results, a method for compensation of the by temperature changes caused real time clock frequency error in a device of the above mentioned Specify type, in an easily realizable, cost-effective and power-saving manner, the frequency error of the real-time clock largely compensated and the resulting timing errors sustainably reduced can be. Next is a corresponding circuit to be provided.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 4, wobei die Unteransprüche mindestens vorteilhafte bzw. zweckmäßige Ausgestaltungen umfassen.The solution The object is achieved by a method having the features of the claim 1 and an arrangement with the features of claim 4, wherein the under claims comprise at least advantageous or expedient embodiments.

Der temperaturabhängige Frequenzfehler des Schwingquarzes wird durch eine Frequenzfehler-Temperatur-Kurve beschrieben. Dadurch ist der Verlauf des Frequenzfehlers innerhalb eines gegebenen Temperaturintervalls an sich bekannt. Das erfindungsgemäße Kompensationsverfahren nutzt diesen Umstand, in dem innerhalb dieses Temperaturintervalls Abschnitte der Frequenzfehler-Temperatur-Kurve durch temperaturabhängige Kennlinien einer elektronischen Schaltung in hinreichender Näherung approximiert werden. Diese stückweisen Näherungen werden zum Erzeugen einer Kompensationsspannung mit einer temperaturabhängigen Kompensationsspannungs-Kurve verwendet. Daraus wird die bei einer aktuell anliegenden Temperatur erforderliche Kompensationsspannung zur Korrektur des Frequenzfehlers bestimmt und erzeugt. Die so ermittelte Kompensationsspannung beeinflusst die Frequenz des Schwingquarzes und kompensiert somit den temperaturbedingten Frequenzfehler des Schwingquarzes in der Echtzeituhr.The temperature-dependent frequency error of the quartz crystal is described by a frequency error-temperature curve. As a result, the course of the frequency error within a given temperature interval is known per se. The compensation method according to the invention utilizes this circumstance, in which, within this temperature interval, sections of the frequency error-temperature curve through temperature-dependent characteristic curves of an electronic circuit ap with sufficient approximation be approximated. These piecewise approximations are used to generate a compensation voltage with a temperature-dependent compensation voltage curve. From this, the compensation voltage required for a currently applied temperature is determined and generated to correct the frequency error. The compensation voltage thus determined influences the frequency of the quartz crystal and thus compensates for the temperature-induced frequency error of the quartz crystal in the real-time clock.

Ein Zugriff auf ein Basisband bzw. eine Zuschaltung eines Basisbandprozessors entfällt somit vollständig. Es erfolgt eine durch die jeweils aktuell herrschenden Temperaturbedingungen selbst bestimmte Kompensation des Frequenzfehlers. Diese Kompensation erfolgt durch die elektronische Schaltung in autarker Weise und ist insbesondere auch in einem ausgeschalteten, das heißt insbesondere einem nicht auf Empfang eingerichteten, bzw. in einem durch eine minimale Stromaufnahme gekennzeichneten Zustand der Mobilfunkeinrichtung aktiv und ausführbar.One Access to a baseband or a connection of a baseband processor deleted thus complete. There is a by the currently prevailing temperature conditions even certain compensation of the frequency error. This compensation done by the electronic circuit in a self-sufficient manner and is in particular also in a switched off, that is in particular one not furnished on receipt, or in one by one minimal power consumption marked state of the mobile device active and executable.

Bei einer innerhalb des Temperaturintervalls gegebenen Frequenzfehler-Temperatur-Kurve mit einer parabelförmigen Gestalt wird die Kompensationsspannung in einem ersten Temperaturteilintervall mit einem linear ansteigenden temperaturabhängigen Verlauf und in einem zweiten Temperaturteilintervall mit einem linear fallenden temperaturabhängigen Verlauf erzeugt. Die steigenden bzw. fallenden Parabeläste der Frequenzfehler-Temperatur-Kurve werden somit bei diesem Ausführungsbeispiel durch eine linear steigende bzw. fallende Tem peraturkennlinie der erzeugten Kompensationsspannung approximiert. Letztlich wird die Kompensationsspannung durch eine Superposition aus zwei Temperaturkennlinien erzeugt, insbesondere der erwähnten ansteigenden und der fallenden Temperaturkennlinie.at a given within the temperature interval frequency error temperature curve with a parabolic Shape is the compensation voltage in a first temperature sub-interval with a linearly increasing temperature-dependent course and in one second temperature sub-interval with a linearly decreasing temperature-dependent course generated. The rising or falling parabolic branches of the frequency error-temperature curve are thus in this embodiment by a linear rising or falling temperature characteristic of the approximated compensation voltage generated. Ultimately, the Compensation voltage due to a superposition of two temperature characteristics generated, in particular the mentioned rising and falling temperature characteristic.

Eine Schaltungsanordnung zur Ausführung des erwähnten Verfahrens ist durch folgende Komponenten gekennzeichnet:
Die Anordnung weist zunächst eine die temperaturabhängige Kompensationsspannung erzeugende elektronische Schaltung (Generatorschaltung) aus einem temperaturabhängigen Widerstand in Verbindung mit einem elektronischen Schalt- und Verstärkungselement und weiterhin eine sich an einen Ausgang der Generatorschaltung anschließenden Durchstimmschaltung für eine den Schwingquarz aufweisende Schwingquarzschaltung auf. Der temperaturabhängige Widerstand stellt in der Generatorschaltung das temperatursensitive Bauelement dar. In Verbindung mit dem eingesetzten Schalt- und Verstärkungselement wird damit eine Schaltung realisiert, die die erwähnten Kompensationsspannungen mit der entsprechenden Temperaturkennlinie erzeugt. Die Durchstimmschaltung stimmt entsprechend der Kompensationsspannung die Frequenz des Schwingquarzes in der Schwingquarzschaltung durch und kompensiert dabei die gegebene temperaturabhängige Frequenzabweichung des Schwingquarzes.
A circuit arrangement for carrying out the mentioned method is characterized by the following components:
The arrangement initially has a temperature-dependent compensation voltage generating electronic circuit (generator circuit) of a temperature-dependent resistor in conjunction with an electronic switching and amplifying element and further adjoining an output of the generator circuit tuning circuit for a quartz crystal having the quartz crystal circuit. The temperature-dependent resistor is in the generator circuit, the temperature-sensitive device. In conjunction with the switching and amplifying element used so that a circuit is realized, which generates the aforementioned compensation voltages with the corresponding temperature characteristic. The tuning circuit tunes in accordance with the compensation voltage, the frequency of the quartz crystal in the crystal oscillator circuit and thereby compensates the given temperature-dependent frequency deviation of the quartz crystal.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist der temperaturabhängige Widerstand als ein heißleitender (NTC-) Widerstand mit einem negativem Temperaturkoeffizienten ausgebildet. Die Bezeichnung „NTC" ist hierbei eine Abkürzung für den Begriff „negative temperature coefficient". Grundsätzlich sind auch, in geeigneter Schaltungsanordnung, kaltleitende (PTC-) Widerstände einsetzbar.In an expedient embodiment is the temperature-dependent Resistance as a hot conductor (NTC) resistor formed with a negative temperature coefficient. The term "NTC" is hereby a abbreviation for the Term "negative temperature coefficient ". in principle are also, in a suitable circuit arrangement, cold conductive (PTC) resistors used.

In einer Ausführungsform ist als Schalt- und Verstärkungselement (jeweils) ein Transistor vorgesehen, wobei die Generatorschaltung insbesondere als zweistufige Transistorschaltung ausgebildet ist. Eine derartige Ausführungsform ist insbesondere in Hinblick auf die Erzeugung vorhergehend erwähnten superpositionierten steigenden bzw, fallenden Temperaturkennlinien zweckmäßig.In an embodiment is as a switching and reinforcing element (Each) a transistor provided, wherein the generator circuit is designed in particular as a two-stage transistor circuit. A such embodiment is superpositioned in particular with regard to the production mentioned above rising or falling temperature curves appropriate.

Zweckmäßigerweise liegt der NTC-Widerstand der ersten Transistorstufe in Reihe mit der Basis des ersten Transistors und der NTC-Widerstand der zweiten Transistorstufe parallel zur Basis des zweiten Transistors. Somit realisiert die erste Stufe eine steigende bzw. fallende Temperaturkennlinie, während die zweite Stufe komplementär dazu eine fallende bzw. steigende Temperaturkennlinie erzeugt, die am Ausgang der zweistufigen Schaltung superpositioniert werden und die Durchstimmschaltung beeinflussen.Conveniently, the NTC resistor of the first transistor stage is in series with the base of the first transistor and the NTC resistor of the second Transistor stage parallel to the base of the second transistor. Consequently the first stage realizes a rising or falling temperature characteristic, while the second stage complementary to a falling or rising temperature characteristic generated, the be superpositioned at the output of the two-stage circuit and affect the tuning circuit.

Die Emitter der Transistoren sind zweckmäßigerweise auf Masse geschaltet, und die Kollektoren der Transitoren sind auf den Ausgang der Generatorschaltung geschaltet.The Emitters of the transistors are suitably grounded, and the collectors of the transistors are at the output of the generator circuit connected.

Die Durchstimmschaltung ist bevorzugt als eine Kapazitätsdiodenschaltung ausgebildet. Eine derartige Schaltung ermöglicht eine besonders einfache Durchstimmmöglichkeit für die von der Kompensationsschaltung erzeugten Kompensationsspannungen für die Beeinflussung des Frequenzganges des Schwingquarzes.The Tuning circuit is preferable as a capacitance diode circuit educated. Such a circuit allows a particularly simple Tuning option for the compensation voltages generated by the compensation circuit for the Influencing the frequency response of the quartz crystal.

Die Kapazitätsdiodenschaltung ist in weiter bevorzugter Ausführung als eine Reihenschaltung aus einer Varaktordiode und einem Kondensator ausgebildet. Der Ausgang der Generator schaltung liegt an einem in Reihe zwischen den Kondensator und die Varaktordiode geschalteten Knotenpunkt.The Capacity diode circuit is in a further preferred embodiment as a series circuit of a varactor diode and a capacitor educated. The output of the generator circuit is located at an in Row connected between the capacitor and the varactor diode Junction.

In einer abgewandelten Ausführungsform der Generatorschaltung sind als Schalt- und Verstärkungselemente Operationsverstärker in der Schaltung angeordnet. Der sonstige Aufbau der Anordnung, insbesondere die Verschaltung der elektronischen Bauelemente, bleibt dabei gegebenenfalls im wesentlichen unverändert.In a modified embodiment of the generator circuit are as switching and amplifying elements operational amplifier in the scarf arranged. The other structure of the arrangement, in particular the interconnection of the electronic components, optionally remains substantially unchanged.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die entsprechende Schaltung sollen nun anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit Figuren näher erläutert werden. Es werden für gleiche bzw. gleichwirkende Teile bzw. Verfahrensabläufe die selben Bezugszeichen verwendet.The inventive method or the corresponding circuit will now be based on an embodiment in conjunction with figures closer explained become. It will be for the same or equivalent parts or processes the the same reference numerals used.

Es zeigtIt shows

1a ein Frequenzfehler-Temperatur-Diagramm mit einer beispielhaften Frequenzfehler-Temperatur-Kurve, 1a a frequency error-temperature diagram with an exemplary frequency error-temperature curve,

1b ein Spannungs-Temperatur-Diagramm mit einer beispielhaften Kompensationsspannungs-Kennlinie und 1b a voltage-temperature diagram with an exemplary compensation voltage characteristic and

2 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung. 2 a circuit diagram of a circuit arrangement.

1 zeigt einen typischen Verlauf der Frequenzfehler-Temperatur-Kurve für einen Schwingquarz in einer Echtzeituhr eines Mobiltelefons oder eines Funkmoduls in einem GSM-Mobilfunknetz. Das in der Kurve gezeigte Temperaturintervall auf der Abszisse umfasst in diesem Beispiel einen Temperaturbereich von fast 90 K und erstreckt sich von ca. –20°C bis ca. 70°C. Auf der Ordinate ist links der relative temperatur abhängige Frequenzfehler df/f in ppm-Anteilen und rechts der damit einhergehende resultierende Zeitfehler in min/Jahr angegeben. Wie dem Diagramm aus 1a zu entnehmen ist, zeigt die relative Frequenzfehlerkurve einen parabelförmigen Verlauf. 1 shows a typical course of the frequency error-temperature curve for a quartz crystal in a real-time clock of a mobile phone or a radio module in a GSM mobile network. The temperature interval on the abscissa shown in the curve in this example comprises a temperature range of almost 90 K and extends from about -20 ° C to about 70 ° C. The ordinate on the left shows the relative temperature-dependent frequency error df / f in ppm parts and on the right the resulting time error in min / year. Like the diagram 1a can be seen, the relative frequency error curve shows a parabolic course.

In einem ersten, als Niedrigtemperaturbereich bezeichneten Temperaturteilintervall ΔT1 im Bereich von ca. –20°C bis ca. 10°C, fällt der relative Frequenzfehler von –100ppm bis auf ca. –30ppm ab. Der Scheitelpunkt der Frequenzfehlerparabel ist relativ flach und geht in einen wiederum abfallenden Parabelast über, der in einem als Hochtemperaturbereich bezeichneten beispielhaften Temperaturteilintervall ΔT2 im Bereich von ca. 40°C bis ca. 70°C liegt. Der relative Frequenzfehler steigt in diesem Bereich in erster Näherung symmetrisch bezüglich des Scheitelpunktes der Parabel wiederum bis auf Werte von bis zu –100ppm an.In a first, called low-temperature region temperature sub-interval .DELTA.T1 in the range from approx. -20 ° C to approx. 10 ° C, the falls relative frequency error of -100ppm down to about -30ppm from. The vertex of the frequency error parabola is relatively flat and merges into a falling parabolic branch, the in an exemplary temperature part interval ΔT2 in the range designated as the high-temperature region of about 40 ° C up to approx. 70 ° C lies. The relative frequency error increases in this area in the first place approximation symmetrical with respect to the vertex of the parabola again down to values of up to -100ppm at.

Zur Korrektur dieses Frequenzfehlerverlaufs und zum Generieren einer geeigneten Kompensationsspannung wird der parabelförmige Verlauf durch stückweise Approximationen in den Temperaturteilintervallen ΔT1 und ΔT2 angenähert und eine entsprechend von der Temperatur abhängige Kompensationsspannung Ust erzeugt. In dem Diagramm in 1b ist diese Approximation durch eine Reihe von linearen temperaturabhängigen Spannungskennlinien beispielhaft dargestellt. Es versteht sich, dass prinzipiell jede temperaturabhängige Kennlinienform zur Approximation der Frequenzfehlerkurve bzw. zur Beschreibung der temperaturabhängigen Kompensationsspannungskennlinie eingesetzt werden kann, sofern diese in hinreichender Genauigkeit die Form der Frequenzfehlerkurve nachvollzieht.In order to correct this frequency error profile and to generate a suitable compensation voltage, the parabolic profile is approximated by piecewise approximations in the temperature subintervals ΔT1 and ΔT2, and a corresponding compensation voltage Ust dependent on the temperature is generated. In the diagram in 1b this approximation is exemplified by a series of linear temperature-dependent voltage characteristics. It goes without saying that, in principle, any temperature-dependent characteristic curve form can be used for approximating the frequency error curve or for describing the temperature-dependent compensation voltage characteristic, provided that it reproduces the shape of the frequency error curve to a sufficient degree of accuracy.

In 1b ist ein beispielhafter temperaturabhängiger Verlauf einer derartigen Kennlinie der Kompensationsspannung Ust dargestellt. Man erkennt einen im ersten Temperaturteilintervall ΔT1 linear ansteigenden und einen im zweiten Temperaturteilintervall ΔT2 linear abfallenden Verlauf. Dazwischen befindet sich ein Temperaturbereich mit einem im wesentlichen konstanten Wert der Kompensationsspannung. Wie aus dem Vergleich mit 1a zu entnehmen ist, wird der steigende bzw. der fallende Ast der Parabel der Frequenzfehler-Temperatur-Kurve durch die stückweise aneinander gefügten Abschnitte der steigenden, konstanten und fallenden Werte der Kompensationsspannung Ust angenähert. Diese Abschnitte bilden die in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Polygonzug gegebene T-abhängige Kompensationsspannungs-Kurve zur Kompensation der in 1a gezeigten Temperatur-Frequenzfehler-Kurve des Schwingquarzes und damit der Echtzeituhr der GSM-Mobilfunkeinrichtung.In 1b an exemplary temperature-dependent profile of such a characteristic of the compensation voltage Ust is shown. One recognizes a gradient rising linearly in the first temperature subinterval ΔT1 and a course decreasing linearly in the second temperature subinterval ΔT2. In between there is a temperature range with a substantially constant value of the compensation voltage. As compared with 1a can be seen, the rising or falling branch of the parabola of the frequency error-temperature curve is approximated by the piece-wise juxtaposed portions of the rising, constant and falling values of the compensation voltage Ust. These sections form the T-dependent compensation voltage curve given in this exemplary embodiment by a polygon to compensate for the in 1a shown temperature-frequency error curve of the quartz crystal and thus the real-time clock of the GSM mobile device.

Der in 1b dargestellte Funktionsverlauf ist somit das Ergebnis einer Superposition einer steigenden und einer fallenden Temperaturkennlinie mit einem ansteigenden Ust-Verlauf in einem unteren Temperaturbereich und einem fallenden Ust-Verlauf in einem oberen Temperaturbereich.The in 1b The functional curve shown is thus the result of a superposition of a rising and a falling temperature characteristic with an increasing Ust curve in a lower temperature range and a falling Ust curve in an upper temperature range.

2 zeigt ein Schaltbild einer Schaltung zum Erzeugen der Temperaturkennlinien, ihrer Superposition und der dadurch erzeugten Kompensationsspannungs-Kurve. Kernstück der in 2 gezeigten Anordnung ist eine zweistufige Generatorschaltung 1, die aus einer ersten Stufe 2 und einer zweiten Stufe 3 ausgeführt ist. An diese zweistufige Generatorschaltung ist eine Durchstimmschaltung in Form einer Kapazitätsdioden-Schaltung 4 gekoppelt. Diese stimmt eine Schwingquarzschaltung 5 temperaturabhängig durch. 2 shows a circuit diagram of a circuit for generating the temperature characteristics, their superposition and the compensation voltage curve generated thereby. Centerpiece of in 2 shown arrangement is a two-stage generator circuit 1 coming from a first stage 2 and a second stage 3 is executed. To this two-stage generator circuit is a tuning circuit in the form of a capacitance diode circuit 4 coupled. This agrees a quartz crystal circuit 5 temperature dependent.

Bei der nachfolgenden Erläuterung der in 2 gezeigten Kompensationsschaltung wird bei der Behandlung der zweistufigen Schaltung 1 und insbesondere der Stufen 2 und 3 von einer Realisierung in Form von Transistorstufen bzw. -schaltungen ausgegangen. Dabei wird beispielhaft auf npn-Transistoren zurückgegriffen, wobei die Anwendung von pnp-Transistoren oder Feldeffekttransistoren oder anderen Schalt- und Verstärkungselementen, insbesondere von Operationsverstärkern und dergleichen elektronischen Bauelementen, prinzipiell im Rahmen fachmännischen Handelns ebenfalls möglich ist. Aus Gründen einer möglichst einfachen und kostengünstigen Schaltungsvariante und einer möglichst geringen Stromaufnahme von weniger als 50 μA wird die Verwendung von npn-Transistoren bevorzugt.In the following explanation of in 2 Compensation circuit shown in the treatment of the two-stage circuit 1 and in particular the stages 2 and 3 assumed a realization in the form of transistor stages or circuits. In this case, reference is made to npn transistors by way of example, the application of Pnp transistors or field effect transistors or other switching and amplifying elements, in particular of operational amplifiers and the like electronic components, in principle in the context of expert action is also possible. For reasons of a simple and cost-effective circuit variant and the lowest possible power consumption of less than 50 μA, the use of npn transistors is preferred.

Während des Betriebes erzeugen beide Transistorstufen 2 und 3 für den in 1b gezeigten ersten und zweiten Temperaturbereich die temperaturabhängige Kompensationsspannung entsprechend der dort dargestellten Temperaturkennlinien und geben diese als Ausgangsspannung aus. Diese dient als Steuersignal für die Kapazitätsdioden-Schaltung 4.During operation, both transistor stages generate 2 and 3 for the in 1b shown first and second temperature range, the temperature-dependent compensation voltage according to the temperature characteristics shown there and output this as output voltage. This serves as a control signal for the capacitance diode circuit 4 ,

Im Folgenden wird die Generatorschaltung 1 aus der ersten Transistorstufe 2 bzw. der zweiten Transistorstufe 3 näher erläutert. Als temperatursensitive Komponenten wird bei dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel auf heißleitende oder NTC-Widerstände zurückgegriffen. Die Verwendung kaltleitender Widerstände mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, sogenannter PTC-Widerstände, ist bei einer entsprechendenden Veränderung am Schaltungsaufbau ebenfalls möglich.The following is the generator circuit 1 from the first transistor stage 2 or the second transistor stage 3 explained in more detail. As temperature-sensitive components, reference is made in the following exemplary embodiment to thermally conductive or NTC resistors. The use of cold conductive resistors with a positive temperature coefficient, so-called PTC resistors, is also possible with a corresponding change in the circuit structure.

Alle weiteren Widerstände innerhalb der Schaltung zeigen eine ohmsche Widerstandscharakteristik und können als galvanische Widerstände ausgeführt sein. Sie weisen zweckmäßigerweise im geforderten Temperaturbereich hinreichend konstante Widerstandswerte auf. Die Schaltung selbst, insbesondere die zweistufige Kompensationsschaltung oder jede der beiden Transistorstufen, kann gegebenenfalls auch als eine integrierte Schaltung ausgebildet sein.All further resistances within the circuit show an ohmic resistance characteristic and can as galvanic resistances accomplished be. They point expediently in the required temperature range sufficiently constant resistance values on. The circuit itself, in particular the two-stage compensation circuit or each of the two transistor stages, may optionally also as a be formed integrated circuit.

Von erheblicher Bedeutung für die Funktionsfähigkeit des nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiels ist zum einen die Wahl zweckmäßiger NTC-Widerstände, insbesondere in Hinblick auf zweckmäßige Temperaturkoeffizienten, in Verbindung mit einer darauf abgestimmten Auswahl des entsprechenden Transistortyps und einer darauf aufbauenden geeigneten Wahl entsprechender Arbeitspunkte der Transistorstufen. Weiterhin muss für die Kapazitätsdiodenschaltung 4 eine Varaktordiode mit einem ausreichend großen und auf die von der Kompensationsschaltung erzeugte Kompensationsspannung abgestimmten Durchstimmbereich der inneren Sperrschichtkapazität vorgesehen werden.Of considerable importance for the functionality of the embodiment explained below, on the one hand, the choice of appropriate NTC resistors, in particular with regard to appropriate temperature coefficients, in conjunction with a matched selection of the corresponding type of transistor and an appropriate choice of appropriate operating points of the transistor stages based thereon. Furthermore, for the capacitance diode circuit 4 a varactor diode having a sufficiently large tuning range of the inner junction capacitance tuned to the compensation voltage generated by the compensation circuit is provided.

Die elektronischen Bauelemente der ersten Transistorstufe 2 sind zwischen einer ersten Spannungsquelle VRTC bzw. einer als VBATT bezeichneten Spannungsquelle und Masse M geschaltet.The electronic components of the first transistor stage 2 are connected between a first voltage source VRTC and a designated as VBATT voltage source and ground M.

Eine Parallelschaltung aus einem ersten Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten NTC1 und einem galvanischen Widerstand R21 mit Anschluss an die Spannungsquelle VRTC ist in Reihe mit einem galvanischen Widerstand RV1 mit Massekontakt M geschaltet. Die Basis B1 eines Transistors T1 ist an einem zwischen der Parallelschaltung aus NTC1 und R21 und dem galvanischen Widerstand RV1 gelegenen Knotenpunkt 2A mit dem Widerstand RV1 verbunden. Der Kollektor K1 des Transistors T1 ist über einen in Reihe geschalteten galvanischen Widerstand RC1 mit der Spannungsquelle VBATT verschaltet. Über einen zwischen dem Kollektor K1 und dem Widerstand RC1 gelegenen Knotenpunkt 2C und einem zwischen der Parallelschaltung aus NTC1 und R21 und dem Knotenpunkt 2A angeordneten Knotenpunkt 2B ist zusätzlich ein den Kollektor K1 mit der Basis B1 des Transistors T1 verbindender Widerstand R11 eingefügt. Der Emitter E1 des Transistors T1 ist mit der Masse M1 verbunden. Weiterhin ist der Knotenpunkt 2C mit dem Ausgang A der Schaltung 1 verbunden.A parallel circuit of a first resistor with a negative temperature coefficient NTC1 and a galvanic resistor R21 connected to the voltage source VRTC is connected in series with a galvanic resistor RV1 with ground contact M. The base B1 of a transistor T1 is connected to a node located between the parallel circuit of NTC1 and R21 and the galvanic resistor RV1 2A connected to the resistor RV1. The collector K1 of the transistor T1 is connected via a series-connected galvanic resistor RC1 to the voltage source VBATT. Via a node located between the collector K1 and the resistor RC1 2C and one between the parallel connection of NTC1 and R21 and the node 2A arranged node 2 B In addition, a resistor R11 connecting the collector K1 to the base B1 of the transistor T1 is inserted. The emitter E1 of the transistor T1 is connected to the ground M1. Furthermore, the node 2C with the output A of the circuit 1 connected.

Der Aufbau der Schaltung der zweiten Transistorstufe 3 ähnelt dem Aufbau der ersten Transistorstufe 2. Die elektronischen Bauelemente dieser Transistorstufe sind zwischen der Spannungsquelle VRTC und Masse M angeordnet. Ein mit der Spannungsquelle VRTC verbundener galvanischer Widerstand RV2 führt über die Knotenpunkte 3A und 3B zu einem Knotenpunkt 3D. An dem Knotenpunkt 3D entspringt eine Parallelschaltung aus einem Widerstand mit negativen Temperaturkoeffizienten NTC2 und einem galvanischen Widerstand R22. Diese sind jeweils mit Masse M verbunden.The structure of the circuit of the second transistor stage 3 is similar to the structure of the first transistor stage 2 , The electronic components of this transistor stage are arranged between the voltage source VRTC and ground M. A galvanic resistor RV2 connected to the voltage source VRTC passes through the nodes 3A and 3B to a node 3D , At the junction 3D a parallel connection arises from a resistor with negative temperature coefficient NTC2 and a galvanic resistance R22. These are each connected to mass M.

Der Transistor T2 der zweiten Transistorstufe 3 ist an seiner Basis B2 mit dem Knotenpunkt 3B verbunden. Der Emitter des Transistors T2 ist auf Masse M geschaltet. Der Kollektor K2 des Transistors T2 ist mit einem Knotenpunkt 3C verbunden. Zwischen dem Knotenpunkt 3C und dem Knotenpunkt 3A ist ein den Kollektor K2 und der Basis B2 des Transistors T2 verbindender galvanischer Widerstand R12 eingefügt. Der Knotenpunkt 3C ist weiterhin mit dem Ausgang A der Kompensationsschaltung 1 verbunden.The transistor T2 of the second transistor stage 3 is at its base B2 with the node 3B connected. The emitter of the transistor T2 is connected to ground M. The collector K2 of the transistor T2 is connected to a node 3C connected. Between the node 3C and the node 3A a galvanic resistor R12 connecting the collector K2 and the base B2 of the transistor T2 is inserted. The node 3C is still connected to the output A of the compensation circuit 1 connected.

Der Ausgang A der zweistufigen Schaltung 1 ist über einen galvanischen Widerstand RD mit der Durchstimmschaltung in Form der Kapazitätsdioden-Schaltung 4 verbunden. Diese besteht in dem Ausführungsbeispiel in 3 aus einer Varaktor-Diode V1, die in Reihe mit einem Kondensator C1 geschaltet ist. Der von dem Ausgang A der zweistufigen Schaltung 1 ausgehende Stromweg mündet in dem Ausführungsbeispiel aus 3 an einem in Reihe geschalteten Knotenpunkt 4A zwischen Kondensator C1 und Varaktordiode V1 ein. Die Varaktordiode V1 ist in Richtung Masse M in Sperrrichtung geschaltet. Die Leitungsführung über den Kondensator C1 verzweigt an einem Knotenpunkt 4B in Richtung eines weiteren Knoten 6A in einer Basisband-Steuerung (Gatter) 6 und in Richtung der Schwingquarzschaltung 5. Die Schwingquarzschaltung besteht aus dem zwischen dem Knotenpunkt 4B und einem Knoten 5A geschalteten Schwingquarz SC. Zwischen dem Knoten 5A und der Masse M ist zusätzlich ein Kondensator C2 in die Schwingquarzschaltung eingefügt.The output A of the two-stage circuit 1 is via a galvanic resistor RD with the tuning circuit in the form of the capacitance diode circuit 4 connected. This consists in the embodiment in 3 a varactor diode V1 connected in series with a capacitor C1. That of the output A of the two-stage circuit 1 outgoing current path terminates in the embodiment 3 at a node connected in series 4A between capacitor C1 and varactor diode V1. The varactor diode V1 is connected in the direction of ground M in the reverse direction. The wiring via the capacitor C1 branches at a node 4B in the direction of another node 6A in a baseband control (gate) 6 and in the direction of the quartz crystal circuit 5 , The oscillating crystal circuit consists of that between the node 4B and a node 5A switched quartz crystal SC. Between the node 5A and the mass M, a capacitor C2 is additionally inserted in the crystal oscillation circuit.

Während des Betriebs verändert die von der zweistufigen Transistorschaltung 1 erzeugte Kompensationsspannung gemäß den jeweils vorliegenden Temperaturbedingungen die Sperrschichtkapazität der Varaktordiode in der Kapazitätsdiodenschaltung 4. Dabei wird entsprechend dieser veränderlichen Kapazität die Schwingquarzschaltung 5 temperaturabhängig durchgestimmt und die Frequenzabweichung der Echtzeituhr somit kompensiert.During operation, the changes from the two-stage transistor circuit 1 generated compensation voltage according to the respective present temperature conditions, the junction capacitance of the varactor diode in the capacitance diode circuit 4 , At the same time, according to this variable capacitance, the crystal oscillation circuit becomes 5 Temperature-dependent tuned and thus compensated for the frequency deviation of the real time clock.

Die entsprechend dieses Ausführungsbeispiels aufgebaute Schaltung zur Frequenzfehlerkompensation zeichnet sich durch eine geringe Stromaufnahme im Bereich von weniger als 50 Mikroampere aus und ist daher auch in einem quasi ausgeschalteten Betrieb des mobilen Endgerätes ohne weiteres einsetzbar. Weiterhin ist die Schaltung vollständig aus elektronischen Standard-Bauelementen aufgebaut. Daher erweisen sich die zur Realisierung der Schaltung eingesetzten elektronischen Bauelemente als äußerst kostengünstig. Bei einer Massenfertigung der beispielhaften Schaltung aus 2 kann von Materialkosten von weniger als 0.25 EUR je Schaltung ausgegangen werden.The constructed according to this embodiment circuit for frequency error compensation is characterized by a low power consumption in the range of less than 50 microamps and is therefore readily usable even in a quasi-off operation of the mobile terminal. Furthermore, the circuit is constructed entirely of standard electronic components. Therefore, the electronic components used to realize the circuit prove to be extremely inexpensive. In a mass production of the exemplary circuit 2 can be expected from material costs of less than 0.25 EUR per circuit.

11
zweistufe Generatorschaltungtwo stage generator circuit
22
erste Stufefirst step
2A, 2B, 2C2A, 2B, 2C
Knotenpunktjunction
33
zweite Stufesecond step
3A, 3B, 3C, 3D,3A, 3B, 3C, 3D,
Knotenpunktjunction
44
Kapazitätsdioden-SchaltungCapacity diode circuit
4A, 4B4A, 4B
55
SchwingquarzschaltungQuartz oscillator circuit
5A5A
Knotenpunktjunction
66
Basisband-SteuerungBaseband control
6A6A
Knotenpunktjunction
AA
Ausgang Generatorschaltungoutput generator circuit
C1, C2C1, C2
Kondensatorcapacitor
MM
MasseDimensions
NTC1, NTC2NTC1, NTC2
Widerstand mit negativem T-Koeffizientresistance with negative T-coefficient
RC1, R11, R12, R21RC1, R11, R12, R21
R22, RC1, RD, RV1, RV2R22, RC1, RD, RV1, RV2
galvanischer Widerstandgalvanic resistance
T1, T2T1, T2
Transistortransistor
B1, B2B1, B2
BasisBase
E1, E2E1, E2
Emitteremitter
K1, K2K1, K2
Kollektorcollector
V1V1
Varaktordiodevaractor
SCSC
Schwingquarzquartz crystal
ΔT1, ΔT2ΔT1, ΔT2
TemperaturteilintervallTemperature subinterval
UstUst
Kompensationsspannungcompensation voltage
df/fdf / f
relativer Frequenzfehlerrelative frequency error

Claims (10)

Verfahren zur Kompensation eines temperaturbedingten Frequenzfehlers eines Schwingquarzes einer Echtzeituhr, insbesondere für Mobilfunk-Endgeräte, GPS-Empfangsgeräte oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass – eine den Frequenzfehler (df/f) beschreibende Frequenzfehler-Temperatur-Kurve mindestens in einem Temperaturintervall (T) stückweise durch eine temperaturabhängige Kennlinie einer elektronischen Schaltung approximiert wird und – aus einer infolge der stückweisen Approximation gewonnene Kompensationsspannungs-Temperatur-Kurve eine temperaturabhängige Kompensationsspannung (Ust) erzeugt und für eine Frequenzabstimmung des Schwingquarzes angewendet wird.A method for compensating a temperature-induced frequency error of a quartz crystal of a real-time clock, in particular for mobile devices, GPS receivers or the like, characterized in that - a frequency error (df / f) descriptive frequency error temperature curve at least in a temperature interval (T) piecewise is approximated by a temperature-dependent characteristic of an electronic circuit, and - a temperature-dependent compensation voltage (Ust) is generated from a compensation voltage-temperature curve obtained as a result of the piecemeal approximation and applied for frequency tuning of the quartz crystal. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer innerhalb des Temperaturintervalls (T) gegebenen Frequenzfehler-Temperatur-Kurve mit einer parabelförmigen Gestalt die Kompensationsspannung in einem ersten Temperaturteilintervall (ΔT1) mit einem, insbesondere linear, ansteigenden temperaturabhängigen Verlauf und in einem zweiten Temperaturteilintervall (ΔT1) mit einem, insbesondere linear, fallenden temperaturabhängigen Verlauf erzeugt wird.Method according to claim 1, characterized in that that at a given within the temperature interval (T) Frequency error-temperature curve with a parabolic shape the compensation voltage in a first temperature subinterval (ΔT1) with a, in particular linear, rising temperature-dependent course and in a second partial temperature interval (ΔT1) with one, in particular linear, falling temperature-dependent History is generated. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsspannung (Ust) durch eine Superposition aus mindestens zwei Kennlinien, insbesondere der im Temperaturintervall (ΔT1) ansteigenden und der im Temperaturintervall (ΔT2) fallenden Kennlinie, erzeugt wird.Method according to claim 2, characterized in that that the compensation voltage (Ust) by a superposition off at least two characteristic curves, in particular those in the temperature interval (ΔT1) increasing and the temperature falling in the temperature interval (ΔT2) Characteristic curve is generated. Schaltungsanordnung zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch – eine eine temperaturabhängige Kompensationsspannung erzeugende Generatorschaltung (1) mit mindestens einem temperaturabhängigen Widerstand (NTC1, NTC2) und mindestens einem elektronischen Schalt- und Verstärkungselement und eine sich an einem Ausgang (A) der Kompensationsschaltung vorgesehene Durchstimmschaltung (4) für eine den Schwingquarz (SC) aufweisende Schwingquarzschaltung (5).Circuit arrangement for carrying out a method according to one of Claims 1 to 3, characterized by a generator circuit generating a temperature-dependent compensation voltage ( 1 ) having at least one temperature-dependent resistor (NTC1, NTC2) and at least one electronic switching and amplifying element and a tuning circuit provided at an output (A) of the compensation circuit ( 4 ) for a quartz crystal (SC) having quartz crystal circuit ( 5 ). Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder temperaturabhängige Widerstand als NTC-Widerstand (NTC1, NTC2) ausgebildet ist.Circuit arrangement according to claim 4, characterized in that the or each tempera turabhängige resistance as NTC resistor (NTC1, NTC2) is formed. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes Schalt- und Verstärkungselement durch einen Transistor oder Operationsverstärker gebildet ist.Circuit arrangement according to claim 4 or 5, characterized characterized in that the or each switching and reinforcing element is formed by a transistor or operational amplifier. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster NTC-Widerstand (NTC1) einer ersten Transistorstufe (2) eine Reihenschaltung mit der Basis (B1) eines ersten Transistors (T1) und ein zweiter NTC-Widerstand (NTC2) einer zweiten Transistorstufe (3) eine Reihenschaltung mit der Basis (B2) eines zweiten Transistors (T2) bildet.Arrangement according to claim 5 or 6, characterized in that a first NTC resistor (NTC1) of a first transistor stage ( 2 ) a series circuit with the base (B1) of a first transistor (T1) and a second NTC resistor (NTC2) of a second transistor stage ( 3 ) forms a series connection with the base (B2) of a second transistor (T2). Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitter (E1, E2) der Transistoren (T1, T2) auf Masse (M) geschaltet sind und die Kollektoren (K1, K2) der Transistoren auf den Ausgang (A) der Generatorschaltung (1) geschaltet sind.Arrangement according to Claim 7, characterized in that the emitters (E1, E2) of the transistors (T1, T2) are connected to ground (M) and the collectors (K1, K2) of the transistors are connected to the output (A) of the generator circuit ( 1 ) are switched. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchstimmschaltung als eine Kapazitätsdiodenschaltung (4) ausgebildet ist.Arrangement according to one of claims 4 to 8, characterized in that the tuning circuit as a capacitance diode circuit ( 4 ) is trained. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätsdiodenschaltung (4) durch eine Reihenschaltung einer Varaktordiode (V1) und einem Kondensator (C1) gebildet ist, wobei der Ausgang (A) der Generatorschaltung (1) mit einem in Reihe zwischen den Kondensator und die Varaktordiode geschalteten Knotenpunkt (4A) verbunden ist.Arrangement according to Claim 9, characterized in that the capacitance diode circuit ( 4 ) is formed by a series connection of a varactor diode (V1) and a capacitor (C1), wherein the output (A) of the generator circuit ( 1 ) with a node connected in series between the capacitor and the varactor diode ( 4A ) connected is.
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