DE102008060386A1

DE102008060386A1 - Selbstkalibrierender Temperatur-kompensierter Oszillator

Info

Publication number: DE102008060386A1
Application number: DE102008060386A
Authority: DE
Inventors: Mark A. Emerald Hills Unkrich; Richard C. Menlo Park Ruby; Wei Fort Collins Pang
Original assignee: Avago Technologies Wireless IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2007-12-05
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2028-12-04
Also published as: DE102008060386B4; US7800457B2; US20090146746A1

Abstract

Ein selbstkalibrierender Temperatur kompensierter Oszillator umfasst eine monolithische Struktur mit einem ersten Resonator, einem zweiten Resonator und einem Heizelement zum Heizen des ersten und zweiten Resonators. Der Temperaturkoeffizient des zweiten Resonators ist wesentlich größer als der Temperaturkoeffizient des ersten Resonators. Eine erste Oszillator-Schaltung arbeitet mit dem ersten Resonator und gibt ein erstes Oszillator-Ausgangssignal aus, welches eine erste Schwingfrequenz aufweist. Eine zweite Oszillator-Schaltung arbeitet mit dem zweiten Resonator und gibt ein zweites Oszillator-Ausgangssignal aus, welches eine zweite Schwingfrequenz aufweist. Eine Temperaturbestimmungsschaltung bestimmt die Temperatur des ersten Resonators unter Verwendung der zweiten Schwingfrequenz. Ein Temperaturkompensator liefert ein Steuersignal an den ersten Oszillator in Reaktion auf die bestimmte Temperatur zum Einstellen der ersten Schwingfrequenz und Halten derselben bei einer gewünschten Betriebsfrequenz.

Description

Hintergrund
Viele elektronische Vorrichtungen erfordern eine hoch akkurate Zeitbasis für ihren Betrieb. Insbesondere erfordern viele elektronische Kommunikationsvorrichtungen (zum Beispiel Funksender oder -empfänger für zellulare Telefone oder andere drahtlose Kommunikationsvorrichtungen) einen Referenzoszillator zum Bereitstellen einer stabilen Frequenzquelle für einen korrekten Betrieb. Ein Referenzoszillator verwendet typischerweise eine Resonatorschaltung als Teil seines Betriebes, welche die Leistung des Oszillators treibt. Verschiedene Typen von Resonatoren werden für Oszillatoren verwendet einschließlich Quarzkristalle, Oberflächenakustikwellen (Surface Acoustic Wave, SAW)-Vorrichtungen, LC-Schaltungen, Siliziumresonatoren, Keramiken, Filmvolumenakustikresonatoren (Film Bulk Acoustic Resonators, FBARs), Volumenakustikwellen(Bulk Acoustic Wave, BAW)-Resonatoren, etc. In vielen Vorrichtungen ist es wichtig, einen Referenzoszillator bereitzustellen, welcher ein geringes Phasenrauschen aufweist und hochgenau ist über Variationen in Temperatur, Spannung, Alter, Last, etc., um ihre Leistungsspezifikationen zu erfüllen. Insbesondere verwenden einige Oszillatoren eine Temperaturkompensation zum Beibehalten der Frequenzvariation über den Betriebstemperaturbereich auf innerhalb weniger Teile pro Million (parts per million, ppm). W. D. Kovan et al., „A 300-MHz digitally compensated SAW oscillator", IEEE Transaction an Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, May, 1988, offenbart ein Beispiel eines selbstkalibrierenden Temperaturkompensierten Kristalloszillators (SCTCXO).
Jedoch können bekannte Referenzoszillatoren darauf in einer Vielzahl von Wegen für viele Anwendungen verbessert werden. Zum Beispiel ist für einen Zellulartelefon- oder Globalpositionierungssatellit(Global Positioning Satellite, GPS)-Empfänger der Komponentengrundriss auf der Leiterplatte erstklassig sowie weitere Funktionalität fortlaufend integriert wird und die Größe und das Gewicht der Komponenten fortlaufend reduziert werden. Weitere Größenreduktion, Kostenreduktion und Leistungsverbesserungen sind Gebiete, wo die gegenwärtigen Lösungen fortlaufend Vorteile suchen.
Was benötigt wird ist daher ein Temperatur-kompensierter Oszillator mit einer vorteilhaften Kombination von Größe, Kosten und Leistungscharakteristiken.
Zusammenfassung
In einer Beispielausführungsform umfasst ein selbstkalibrierender Temperatur-kompensierter Oszillator: eine monolithische Struktur umfassend einen ersten Resonator, einen zweiten Resonator und ein Heizelement angepasst zum Heizen des ersten und zweiten Resonators in Reaktion auf ein Heizersteuersignal, wobei ein Temperaturkoeffizient des zweiten Resonators wesentlich größer ist als ein Temperaturkoeffizient des ersten Resonators; eine erste Oszillatorschaltung, welche angepasst ist zum Arbeiten in Verbindung mit dem ersten Resonator und zum Ausgeben eines ersten Oszillator-Ausgangssignals, welches eine erste Schwingfrequenz aufweist, wobei die erste Schwingfrequenz in Reaktion auf ein Steuersignal variabel ist; eine zweite Oszillatorschaltung, welche angepasst ist zum Arbeiten in Verbindung mit dem zweiten Resonator und zum Ausgeben eines zweiten Oszillator-Ausgangssignals, welches eine zweite Schwingfrequenz aufweist; eine Temperaturbestimmungsschaltung zum Bestimmen einer Temperatur des ersten Resonators unter Verwendung der zweiten Schwingfrequenz; und einen Temperaturkompensator, welcher angepasst ist zum Liefern des Steuersignals an den ersten Oszillator in Reaktion auf die bestimmte Temperatur zum Beibehalten des ersten Oszillator-Ausgangssignals bei einer gewünschten Betriebsfrequenz.
In einer weiteren Beispielausführungsform wird ein Verfahren bereitgestellt zum Betreiben eines selbstkalibrierenden Temperaturkompensierten Oszillators umfassend: Bereitstellen einer ersten Oszillator-Schaltung, welche angepasst ist zum Arbeiten in Verbindung mit einem ersten Resonator und zum Ausgeben eines ersten Oszillator-Ausgangssignals, welches eine erste Schwingfrequenz aufweist, wobei der erste Resonator einer von einem Filmvolumenakustikresonator (FBAR) und einer Volumenakustikwellen(BAW)-Vorrichtung ist und wobei die erste Schwingfrequenz variabel ist in Reaktion auf ein Steuersignal; Bereitstellen einer zweiten Oszillator-Schaltung, welche angepasst ist zum Arbeiten in Verbindung mit einem zweiten Resonator und zum Ausgeben eines zweiten Oszillator-Ausgangssignals, welches eine zweite Schwingfrequenz aufweist, wobei die zweiten Resonatorn einer von einem FBAR und einer BAW-Vorrichtung sind; Ermitteln einer Temperatur des ersten Resonators basierend auf der zweiten Schwingfrequenz unter Verwendung des zweiten Resonators als einen Temperatursensor; und Bereitstellen des Steuersignals an den ersten Oszillator in Reaktion auf die ermittelte Temperatur zum Beibehalten des ersten Oszillator-Ausgangssignals bei einer gewünschten Betriebsfrequenz.
In einer nochmals anderen Beispielausführungsform wird ein Verfahren bereitgestellt zum Kalibrieren eines selbstkalibrierenden Temperaturkompensierten Oszillators umfassend eine erste Oszillator-Schaltung, welche angepasst ist zum Arbeiten in Verbindung mit einem ersten Resonator und zum Ausgeben eines ersten Oszillator-Ausgangssignals, welches eine erste Schwingfrequenz aufweist, wobei die erste Schwingfrequenz in Reaktion auf ein Steuersignal variabel ist, und eine zweite Oszillator-Schaltung, welche angepasst ist zum Arbeiten in Verbindung mit einem zweiten Resonator und zum Ausgeben eines zweiten Oszillator-Ausgangssignals, welches eine zweite Schwingfrequenz aufweist. Das Verfahren umfasst: (1) Heizen des ersten Resonators auf eine bestimmte Temperatur unter Verwendung eines Heizelementes, welches auf derselben monolithischen Struktur bereitgestellt ist wie der erste Resonator; (2) Bereitstellen eines Steuersignals an den ersten Oszillator zum Beibehalten des ersten Oszillator-Ausgangssignals bei einer gewünschten Betriebsfrequenz; (3) Bestimmen der zweiten Schwingfrequenz der zweiten Oszillator-Schaltung unter Verwendung der ersten Schwingfrequenz als eine Referenz; (4) Speichern, in einem Datenspeicher, von Frequenzkalibrationsdaten für die bestimmte Temperatur umfassend Daten, welche der zweiten Schwingfrequenz der zweiten Oszillator-Schaltung entsprechen und Daten, welche dem Steuersignal entsprechen, welches an den ersten Oszillator geliefert wird zum Beibehalten des ersten Oszillator-Ausgangssignals bei der gewünschten Betriebsfrequenz; und (5) Wiederholen der Schritte (1) bis (4) für eine Vielzahl von Temperaturen, welche einen Testtemperaturbereich überspannen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Beispielausführungsformen werden am besten verstanden von der folgenden detaillierten Beschreibung, wenn diese zusammen mit den begleitenden Zeichnungsfiguren gelesen wird. Es wird hervorgehoben, dass die verschiedenen Merkmale nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen für die Klarheit der Diskussion beliebig erhöht oder verringert sein. Wo immer es anwendbar und praktikabel ist, beziehen sich ähnliche Bezugszahlen auf ähnliche Elemente.
1 ist ein funktionales Blockdiagramm eines Temperaturkompensierten Oszillators.
2 zeigt ein funktionales Blockdiagramm eines selbstkalibrierenden Temperatur-kompensierten Oszillators.
3 zeigt ein detailliertes funktionales Blockdiagramm einer Ausführungsform eines selbstkalibrierenden Temperatur-kompensierten Oszillators.
4 zeigt eine Darstellung einer monolithischen Die-Implementierung enthaltend zwei Resonatoren auf einem einzigen Substrat.
5 zeigt eine Darstellung einer monolithischen Die-Implementierung enthaltend zwei Resonatoren und ein Heizelement auf einem einzigen Substrat.
6 ist ein funktionales Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Selbstkalibratrions- & Temperaturkompensationsblocks während eines Kalibrationsbetriebes.
7 ist ein funktionales Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Selbstkalibrations- & Temperaturkompensationsblocks während eines normalen Betriebes.
Detaillierte Beschreibung
In der folgenden detaillierten Beschreibung sind zum Zwecke der Erläuterung und nicht der Beschränkung Beispielausführungsformen, welche spezifische Details offenbaren, dargelegt, um ein gründliches Verständnis einer Ausführungsform gemäß den vorliegenden Lehren zu liefern. Jedoch wird es für einen Fachmann, welcher den Vorteil der vorliegenden Offenbarung gehabt hat, offenkundig sein, dass andere Ausführungsformen gemäß den vorliegenden Lehren, die von den spezifischen hierin offenbarten Details abweichen können, innerhalb des Umfangs der anhängenden Ansprüche bleiben. Darüber hinaus können Beschreibungen von gut bekannten Vorrichtungen und Verfahren weggelassen werden, um die Beschreibung der Beispielausführungsformen nicht zu verschleiern. Solche Verfahren und Vorrichtungen sind klar innerhalb des Umfangs der vorliegenden Lehren.
1 ist ein funktionales Blockdiagramm eines Temperaturkompensierten Oszillators (TCO) 100. Der TCO 100 umfasst einen Oszillator 110, einen Temperatursensor 120 und einen Temperaturkompensator 130. Der Oszillator 110 umfasst einen Resonator 112 und eine Schaltung 114. Wo der Resonator 112 ein Kristall ist, ist der TCO 100 ein Temperatur-kompensierter Kristalloszillator (Temperature Compensated Crystal Oscillator, TCXO).
Der Oszillator 110 kann einen Collpitts-Oszillator oder einen Pierce-Oszillator umfassen, oder eine andere geeignete Konfiguration. Die Schwingfrequenz des Oszillators 110 ist abhängig von der Temperatur der Vorrichtung aufgrund von Änderungen in Komponentenparametern als eine Funktion der Temperatur. Um diese Änderung in der Frequenz über einen Temperaturbereich zu reduzieren, wurden in der Industrie viele Techniken entwickelt. Ohne externe Kompensation kann die Temperaturstabilität des Oszillators 110 verbessert werden durch Reduzieren der Änderungen in den kritischen Komponentenparametern als eine Funktion der Temperatur. Viele Verfahren wurden angewandt zum weiteren Verbessern der Temperatur-Performance des Oszillators 110.
Durch Hinzufügen zusätzlicher Schaltungen kann die Temperatur-Performance des Oszillators 110 ebenfalls wesentlich verbessert werden. Zum Beispiel kann durch Konfigurieren des Oszillators 110 als ein spannungsgesteuerter Oszillator (Voltage Controlled Oscillator, VCO) die Frequenz elektronisch modifiziert werden. In diesem Fall kann der Temperatursensor 120 die Temperatur des Oszillators 110 messen und der Temperaturkompensator 130 kann die gemessene Temperatur verwenden zum Modifizieren eines Steuerparameters des Oszillators 110. In diesem Fall empfängt der Temperaturkompensator 130 ein Temperaturabfühlsignal von dem Temperatursensor 120 und liefert eine Steuerspannungssteuerung an die Schaltung 114 verschieben der Schwingfrequenz durch einen Betrag, welcher bekannt ist für das Kompensieren der Änderung in den kritischen Komponentenparametern und der Schwingfrequenzantwort über die Temperatur.
Einer der Kostenfaktoren in der Herstellung des TCO 100 ist die Bestimmung des Frequenzverhaltens über die Temperatur des Oszillators 110 und das Trimmen oder Programmieren der Kompensationsschaltung in dem Temperaturkompensator 130 basierend auf der Frequenzantwort versus Temperatur. Diese müssen einander mit ausreichender Genauigkeit auslöschen, um den Leistungsanforderungen des Produkts und der Anwendung zu genügen. Dies kann eine ausgedehnte Messung des Oszillators 110 über die Temperatur erfordern, was Zeit und Kosten zu der Herstellung hinzufügt. Diese Kosten skalieren allgemein mit den Genauigkeitsanforderungen des TCO 100 über die Temperatur.
Zum Reduzieren der Kosten von Testmessung und Programmierung während der Herstellung kann eine Selbstkalibrationstechnik angewendet werden. Eine Selbstkalibration erlaubt einem TCO sein Verhalten und seine Frequenzgenauigkeit über die Temperatur wiederholt über die Lebensdauer der Komponente oder der Vorrichtung, in welcher er eingebaut ist, zu setzen oder zu modifizieren.
Selbstkalibration erfordert, dass der TCO sein Frequenzverhalten über die Temperatur lernt. Die Frequenzverschiebungen als eine Funktion der Temperatur können kompensiert werden unter Verwendung von digitalen oder analogen Techniken, wie vorstehend erwähnt. Im allgemeinen, zum Selbstkalibrieren des Geräts und Ändern seines Verhaltens basierend auf einer Kalibrationssequenz speichert es eine Darstellung der Frequenz versus Temperaturverhalten des Oszillators und modifiziert diese Darstellung, wenn sich das Verhalten über die Zeit ändert (zum Beispiel aufgrund von Komponentenalterung). Eine Steuerschaltung übersetzt die gespeicherte Darstellung der Frequenz versus Temperaturverhalten in eine Kompensationssteuerung zum Ändern der Schwingfrequenz und Erhalten des finalen gewünschten Frequenzverhaltens. Diese Funktionalität kann auf dem Oszillatorkomponentenniveau als eine selbstkalibrierende Oszillatorkomponente integriert werden. Alternativ kann der Oszillator Teil einer Hostvorrichtung sein, wie beispielsweise einer drahtlosen Kommunikationsvorrichtung (zum Beispiel eines Zellulartelefons) oder einer GPS-Navigationsvorrichtung, wobei Teile der Funktionalität durch die anderen Elemente der Hostvorrichtung geliefert werden, abhängig von der Anwendung. Ein Zellulartelefon kann zum Beispiel die Verschiebung seiner Schwingfrequenz unter Verwendung einer Basisstation als ein Referenzsignal kalibrieren.
2 zeigt ein funktionales Blockdiagramm eines selbstkalibrierenden Temperatur-kompensierten Oszillators (SCTCO) 200. Der SCTCO umfasst einen Oszillator 210, einen Temperatursensor 220 und einen Temperaturkompensator 230. Der Oszillator 210 umfasst einen Resonator 212 und eine Schaltung 214. Verglichen mit dem TCO 100, umfasst der SCTCO 200 drei zusätzliche Elemente: einen Temperaturcontroller oder Heizer 240, einen Datenspeicher oder Speicher 250, und eine Kalibrationsschaltung 260.
Der Temperaturcontroller 240 muss hinzugefügt werden, welcher in der Lage ist, die Temperatur des Oszillators 210 in einer gesteuerten Weise zu ändern, um bei verschiedenen Temperaturen durchgeführte Messungen zu erlauben. Der Temperatursensor 220 überwacht die Temperatur des Oszillators 210.
Der Datenspeicher 250 sichert die gemessenen Ergebnisse der Schwingfrequenzverschiebung als eine Funktion der Temperatur. Zum Speichern der Information, selbst wenn keine Energieversorgung an dem SCTCO 200 anliegt, kann der Datenspeicher 250 einen nicht flüchtigen Speicher (non volatile memory, NVM) wie beispielsweise einen Flashspeicher, enthalten.
Die Kalibrationsschaltung 260 steuert den Temperaturcontroller 240 zum Hochfahren der Temperatur des Oszillators 210, während des Steuerns der Messung der Schwingfrequenz versus Temperaturverhalten während der Kalibrationssequenz, und Speichern dieser Daten in dem Datenspeicher 250. Die neuen gespeicherten Daten werden dann verwendet zum Modifizieren der Kompensationssteuerung abhängig von der aktuellen gemessenen Oszillatortemperatur während des normalen Betriebes.
Alternativ kann die Kalibrationsschaltung 260 auch verwendet werden zum Liefern einiger Steuerung der Temperatur zum weiteren Stabilisieren der Schwingfrequenz (Oszillationsfrequenz), zum Beispiel wie es in einem Ofen-gesteuerten Oszillator gemacht wird. Jedoch wird in diesem Fall die von dem SCTCO 200 dissipierte Leistung erhöht.
In einer Produktimplementierung können der Temperaturcontroller 240, der Datenspeicher 250 und/oder die Kalibrationsschaltung 260 beruhen auf, oder ersetzt werden durch, andere Komponenten einer Hostvorrichtung. Zum Beispiel können in einer drahtlosen Kommunikationsvorrichtung, wie beispielsweise einem Zellulartelefon die Algorithmen für die Kalibrationsschaltung 260 als ein Softwareprogramm in einem Signalprozessor innerhalb des Telefons gespeichert werden. Die gespeicherten Kompensationswerte können in einem Systemflashspeicher gehalten werden, der nicht flüchtig und in der Lage ist, wieder aufgerufen zu werden nach einem Zyklieren des Telefonnetzstromes, so dass das Telefon nicht eine neue Kalibrationssequenz erfordert. Ferner ist es in einigen Fällen möglich, dass ein Senderleistungsverstärker eine Wärmequelle für den Oszillator 210 bildet.
Idealerweise wird eine Selbstkalibrationssequenz sehr genau und schnell sein und Leistungserfordernisse minimieren. Die Antwortzeit ist großteils abhängig von der Geschwindigkeit des Heizens des Oszillators 210. Typischerweise dominiert die Temperatur-Performance des Resonators 212 die Frequenzantwort über die Temperatur des Oszillators 210. Folglich ist eine physikalisch enge Kopplung zwischen Resonator 210, Temperatursensor 220 und Temperaturcontroller 240 gewünscht. Ferner sollte die thermische Leitung kontrolliert werden. Eine niedrige thermische Leitung von dem Resonator 212 zu anderen Elementen von höherer thermischer Masse erlaubt dem Temperaturcontroller 240, den Resonator 212 schneller zu erwärmen, da die thermische Masse minimiert ist. Alternativ ist etwas thermische Leitung wünschenswert zum Minimieren eines Temperaturanstiegs des Oszillators 210 aufgrund von Selbstheizung. Allgemein ist letzteres von geringerem Interesse, da die Leistungspegel und das Selbstheizen des Oszillators 210 relativ minimal sind.
Der Temperatursensor 220 kann eine Vielzahl von Vorrichtungen verwenden zum Messen der Temperatur des Resonators 212 in dem Oszillator 210. In einer Ausführungsform verwendet der Temperatursensor 220 eine Diode zum Detektieren einer Änderung in der Temperatur aufgrund der Änderung in ihrer Vorwärts-Bias-Spannung als eine Funktion der Temperatur. Andere Vorrichtungen und Schaltungen können verwendet werden.
3 zeigt ein detaillierteres funktionales Blockdiagramm einer Ausführungsform eines SCTCO 300. Der SCTCO 300 umfasst eine monolithische Struktur 310, eine erste Oszillator-Schaltung 322, eine zweite Oszillator-Schaltung 322, einen Selbstkalibrations- & Temperaturkompensationsblock 330 und einen Datenspeicher 340. Die monolithische Struktur 310 („Resonator-Die 310") umfasst einen ersten Resonator 312, einen zweiten Resonator 314 und ein Heizelement 316. Der SCTCO 300 hat auch einen Referenz-Oszillatoreingang 307, welcher ein Referenz-Oszillator-Eingangssignal empfängt und einen SCTCO- Ausgang 305, welcher ein Temperatur-kompensiertes Referenz-Oszillator-Ausgangssignal ausgibt.
Die erste Oszillator-Schaltung 322 verwendet den ersten Resonator 312 und die zweite Oszillator-Schaltung 324 verwendet den zweiten Resonator 314. Die erste Oszillator-Schaltung 322 umfasst eine Oszillationsschaltung, deren Ausgangsfrequenz elektronisch über ein Steuersignal 315 modifiziert werden kann. In einer Ausführungsform ist die erste Oszillator-Schaltung 322 ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) aufweisend, dessen Schwingfrequenz geändert werden kann in Reaktion auf eine Steuerspannung. In diesem Fall kann die erste Oszillator-Schaltung 322 einen oder mehrere Varaktoren, geschaltete Kondensatoren oder eine Kombination von Varaktor(en) und geschalteten Kondensatoren aufweisen.
In dem SCTCO 300 hat der erste Resonator 312 einen Temperaturkoeffizient von einer geringen Größe und die korrespondierende erste Oszillator-Schaltung 322 arbeitet als der Referenzoszillator, welcher ein erstes Oszillatorsignal 325 ausgibt, welches als ein Temperatur-kompensiertes Referenzoszillator-Ausgangssignal über den SCTCO-Ausgang 305 ausgegeben wird. Zum Beispiel kann der erste Resonator 312 einen Temperaturkoeffizient von +3 ppm/°C aufweisen. Verschiedene Verfahren und Techniken sind im Stand der Technik bekannt zum Erzeugen eines ersten Resonators 312 mit einem Temperaturkoeffizient von relativ geringer Größe. Der zweite Resonator 314 zeigt eine monoton sich verändernde Frequenz versus Temperaturcharakteristik und hat einen Temperaturkoeffizient, dessen Größe signifikant höher ist als der des ersten Resonators 312 (zum Beispiel, –30 ppm/°C). In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Betrag des Temperaturkoeffizienten des zweiten Resonators 314 mindestens viermal der des ersten Resonators 312. Wie unten detaillierter erläutert werden wird, erlaubt dies, dass die zweite Oszillator-Schaltung 324 verwendet wird als ein Temperatursensor für die erste Oszillator-Schaltung 322.
4 zeigt eine Darstellung einer monolithischen Die-Implementierung umfassend einen ersten Resonator 312 und einen zweiten Resonator 314 auf einem einzigen Substrat. Da diese auf demselben Die sind, ist die Temperaturkopplung zwischen dem ersten Resonator 312 und dem zweiten Resonator 314 sehr hoch, während die geringe Die-Größe in einer sehr geringen thermischen Masse resultiert. Pins zum Verbinden mit dem ersten Resonator 312 und zweiten Resonator 314 mit ersten und zweiten Oszillator-Schaltungen 322 und 324 sind ebenfalls in 4 repräsentiert.
5 zeigt eine Darstellung eines Resonator-Dies 310 umfassend einen ersten Resonator 312, einen zweiten Resonator 314 und ein Heizelement 316 auf einem einzigen Substrat. Das Heizelement 316 ist repräsentiert durch Widerstandselemente entlang der Peripherie von und umgebend die ersten und zweiten Resonatoren 312 und 314. Zwei Pins für das Heizelement 316 sind bereitgestellt zum hieran Liefern von Energie während des Selbstkalibrationsbetriebsmodus des SCTCO 300. Diese Konfiguration des Resonator-Dies 310 hat exzellente Eigenschaften hinsichtlich einem schnellen Heizen des ersten und des zweiten Resonators 312 und 314 während der Selbstkalibration, oder dem Liefern eines allgemeineren Temperaturfühlelementes.
Zusätzlich können beide, die ersten und zweiten Oszillator-Schaltungen 322 und 324 in eine monolithische Struktur auf einem einzigen Die („Dualoszillator-Die 320") integriert werden. Darüber hinaus können das Dualoszillator-Die 320 und das Resonator-Die 310 auf verschiedene Weisen integriert werden, zum Beispiel monolithisch, Bonden und Paketieren im Wafer-Maßstab oder andere Multichipmodul (MCM)-Paketierung. Obwohl die Konfiguration des Dualoszillator-Dies 320 vorteilhaft ist, können alternativ die ersten und zweiten Oszillator-Schaltungen 322 und 324 auf separaten Dies in dem SCTCO 300 hergestellt sein.
Während der Selbstkalibration und in dem normalen Betrieb gibt die erste Oszillator-Schaltung 322 ein erstes Oszillatorsignal 325 aus und die zweite Oszillator-Schaltung 324 gibt ein zweites Oszillatorsignal 327 aus. Wie unten erläutert ist, kombiniert mit einer externen Referenz, erlauben die ersten und zweiten Oszillatorsignale 325 und 327, die Temperatur des ersten Resonators 312 genau zu messen während der Kalibration und in dem normalen Betrieb und zur Kompensation des Temperatur-kompensierten Referenzoszillator-Ausgangssignals zu verwenden, das von dem SCTCO-Ausgang 305 des SCTCO 300 ausgegeben wird.
6 ist ein funktionales Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Selbstkalibrations- & Temperaturkompensationsblocks 330, wie er während eines Selbstkalibrationsbetriebes konfiguriert ist. Wie durch Fachleute geschätzt werden wird, können die verschiedenen Funktionen, die in 6 dargestellt sind, physikalisch implementiert werden unter Verwendung eines Software gesteuerten Mikroprozessors, hart verdrahteten Logikschaltungen oder einer Kombination hiervon. Auch können, während die funktionalen Blocks in 6 für Erläuterungszwecke isoliert dargestellt sind, diese in jeder physikalischen Implementierung kombiniert sein.
Der Selbstkalibrations- & Temperaturkompensationsblock 330 umfasst einen Zähler 610, Latches 620, einen Prozessor 630, einen oder mehrere Frequenzteiler 640, einen Referenzfrequenzteiler 645, einen Strobe- und Reset-Block 650, einen Phasen/Frequenz-Vergleicher 660 und eine Steuersignal-Erzeugungseinheit 670. Abhängig von den verschiedenen Frequenzen des Referenzoszillator-Eingangssignals auf dem Referenzoszillator 307 und des Temperatur-kompensierten Referenzoszillator-Ausgangssignals, kann der Referenzfrequenzteiler 645 weggelassen werden.
Während der Selbstkalibrationssequenz wird die Temperatur der ersten Oszillator-Schaltung 322, enthaltend den ersten Resonator 312, und der zweiten Oszillator-Schaltung 324, enthaltend den zweiten Resonator 314, hochgefahren von der Start-Umgebungstemperatur zu der gewünschten hohen Betriebstemperatur. Das Hochfahren der Temperatur wird gesteuert durch Beaufschlagen der Heizsteuerleitungen 335 von dem Selbstkalibrations- & Temperaturkompensationsblock 330 zu dem Heizelement 316 auf dem Resonator-Die 310 mit Energie. Wenn sich die Temperatur ändert, ändern sich auch die Ausgangsfrequenzen der ersten und zweiten Oszillatorsignale 325 und 327. Zu dieser Zeit wird, da der Temperaturkoeffizient des zweiten Resonators 314 wesentlich größer ist als der des ersten Resonators 312, die Frequenz der zweiten Oszillator-Schaltung 324 sich viel mehr ändern als die Frequenz der ersten Oszillator-Schaltung 322.
Entsprechend kann eine Temperaturverschiebung bestimmt werden durch Messung einer Änderung in der Differenz in der Frequenz zwischen den ersten und zweiten Oszillatorsignalen 325 und 327. Da der zweite Oszillator 324 den zweiten Resonator 314 mit einem Temperaturkoeffizient mit höherem Betrag verwendet, wird sich die Differenz in der Frequenz zwischen den ersten und zweiten Oszillatorsignalen 325 und 327 signifikant mit der Temperatur ändern (d. h. die andernfalls unkompensierten Ausgangsfrequenzen der ersten und zweiten Oszillatorsignale 325 und 327 werden divergieren, wenn sich ihre Temperatur ändert). In der Ausführungsform des Selbstkalibrations- & Temperaturkompensationsblocks 330, der in 6 dargestellt ist, wird die Änderung in der Differenz in der Frequenz zwischen den ersten und zweiten Oszillatorsignalen 325 und 327 über den Frequenzteiler 640, den Zähler 610, den Strobe- und Resetblock 650 und die Latches 620 gemessen. Die gemessene Frequenzverschiebung wird hierin als „Temperaturverschiebungsdaten" bezeichnet und wird an den Prozessor 630 geliefert und folglich in dem Datenspeicher 340 gespeichert.
Als ein Beispiel wird, wenn die zweite Oszillator-Schaltung 324 nominal bei 1,0 GHz bei Umgebungstemperatur mit einem Temperaturkoeffizient von –30 ppm/°C arbeitet, ein Temperaturanstieg von 5°C in einer negativen Ausgangsfrequenzverschiebung von 150 kHz in dem zweiten Oszillatorsignal 327 resultieren. In der Zwischenzeit wird, wenn die erste Oszillator-Schaltung 322 nominal bei 1,0 GHz bei Umgebungstemperatur mit einem Temperaturkoeffizient von +3 ppm/°C arbeitet, derselbe Temperaturanstieg von 5°C in einer positiven Ausgangsfrequenzverschiebung von 15 kHz in dem ersten Oszillatorsignal 325 resultieren.
Während der Kalibration wird ein Referenzoszillator-Eingangssignal mit einer stabilen Frequenz mit einer bekannten Beziehung zu der gewünschten Betriebsfrequenz für den SCTCO 300 an dem Eingang 307 bereitgestellt. Insbesondere wenn der oder die Frequenzteiler 340 die Frequenz, F_OUT, des ersten Oszillatorsignals 325 durch N teilen, und wenn der Referenzfrequenzteiler 645 die Frequenz, F_IN, des Referenzoszillator-Eingangssignals durch M teilt, dann: FOUT = (N/M)·FIN. (1)
Während der Kalibration kann jede Verschiebung in der Frequenz des ersten Oszillatorsignals 325 aufgrund von Temperaturänderungen bestimmt werden durch Messung des Verhältnisses zwischen der Frequenz F_OUT des ersten Oszillatorsignals 325 und der stabilen Frequenz F_IN des Referenzoszillator-Eingangssignals, welches über den Referenzoszillator-Eingang 307 mittels des Phasen/Frequenz-Vergleichers 660 empfangen wird. Insbesondere misst der Phasen/Frequenz-Vergleicher 660 die Differenz in der Frequenz zwischen der Frequenz F_OUT/N des geteilten Oszillatorsignals 325, welches von dem oder Frequenzteilern 640 ausgegeben wird, und der Frequenz F_IN/M des geteilten Referenzoszillator-Eingangssignals, welches von dem Referenzfrequenzteiler 645 ausgegeben wird, und liefert diese Differenz an den Prozessor 630. Der Prozessor 630 wiederum liefert ein Rückkopplungssignal an die Steuersignal-Erzeugungseinheit 670. Der Selbstkalibrations- & Temperaturkompensationsblock 330 legt dann ein Steuersignal 315 an die erste Oszillator-Schaltung 322 über die Steuersignal-Erzeugungseinheit 670 während der Selbstkalibrationssequenz an, um eine Rückkopplungsschleife zu schließen zum Schieben der Frequenz der ersten Oszillator-Schaltung 322 und des ersten Oszillatorsignals 325 auf seine nominelle Betriebsfrequenz. Die Steuersignal-Erzeugungseinheit 670 gibt das Steuersignal 316 aus zum Treiben von F_OUT/N, um gleich zu F_IN/M zu sein. Sobald die Abgabe des Phasen/Frequenz-Vergleichers 660 anzeigt, dass das F_OUT/N gleich ist wie F_IN/M (d. h. das erste Oszillatorsignal 325 ist bei seiner normalen gewünschten Betriebsfrequenz, F_OUT), dann wird die Größe der Korrektur, die erforderlich ist zum Korrigieren der Ausgangsfrequenz der ersten Oszillator-Schaltung 322, hierin bezeichnet als „Oszillator-Korrekturdaten", von dem Prozessor 630 in dem Datenspeicher 340 gespeichert. Auf diese Weise bleibt das korrigierte erste Oszillatorsignal 325 bei seiner gewünschten Frequenz (zum Beispiel 1,0 GHz) während der Kalibration, wenn die Temperatur der ersten und zweiten Resonatoren 312 und 314 durch den Heizer 316 variiert wird. Das korrigierte erste Oszillatorsignal 325 (oder Referenzoszillator-Eingangssignal, welches über den Referenzoszillator-Eingang 307 empfangen wird) wird in der Frequenz geteilt und mit dem Zähler 610 verwendet, um die Frequenzverschiebung der zweiten Oszillator-Schaltung 324 und des zweiten Oszillatorsignals 327 (zum Beispiel 150 kHz) zu messen und dadurch die Temperaturverschiebungsdaten zum Speichern in dem Datenspeicher 340 zu bestimmen.
Die „Oszillator-Korrekturdaten" und die „Temperaturverschiebungsdaten" werden in dem Datenspeicher 340 zusammen gespeichert als Frequenzkalibrations-„Datenpaare” für mehrere Temperaturen, welche den Betriebstemperaturbereich des SCTCO 300 überspannen. Die Temperatur wird von einer Umgebungs- zu der gewünschten hohen Temperatur hochgefahren. Dies kann durchgeführt mit hoher Auflösung, die limitiert ist durch das Design der Genauigkeit der Frequenzverschiebungsmessungstechnik und der Temperaturkoeffizienten der Resonatoren. Der vollständige Satz von Frequenzkalibrierungsdaten charakterisiert das Frequenz versus Temperaturverhalten der ersten Oszillator-Schaltung 322 und des ersten Oszillatorsignals 325.
Die Selbstkalibrierung kann einmal durchgeführt werden, wenn der SCTCO 300 oder eine Hostvorrichtung (zum Beispiel eine Drahtlos-Kommunikationsvorrichtung wie beispielsweise ein Zellulartelefon), welche den SCTCO 300 enthält, hergestellt wird. In diesem Fall kann das Referenzoszillator-Eingangssignal an dem Referenzoszillator-Eingang 307 direkt der Hostvorrichtung für die Selbstkalibrierung zugeführt werden. In einer Ausführungsform kann, während der Fabrikkalibration, der Referenzoszillator-Eingang erzeugt werden von einem Drahtlossignal, welches von der Drahtlos-Kommunikationsvorrichtung in der Fabrik empfangen wird.
Die Frequenzkalibrierungsdaten können erweitert werden durch Interpolation und/oder Extrapolation.
Für eine Interpolation können die Frequenzkalibrierungsdaten Kurven angepasst werden, zum Beispiel durch Anwenden einer Polynom-Kurvenanpassung über den gesamten Temperaturbereich oder durch Anwenden von mehreren Polynom-Kurvenanpassungen über Teile des Temperaturbereichs. Andere Funktionen, zusätzlich zu Polynomen, können ebenso für bessere Ergebnisse verwendet werden, abhängig von der charakteristischen Antwort auf die Daten, welche angepasst werden. In einer bestimmten vorteilhaften Ausführungsform wird eine Polynom-Kurvenanpassung 5. Ordnung angewandt zum Interpolieren von Daten zwischen gemessenen Datenpunkten.
Wenn die Start-Umgebungstemperatur des Selbstkalibrierungsprozesses über der unteren Temperaturspezifikation für den Betrieb des SCTCO 300 liegt, kann es, als ein Beispiel, wünschenswert sein, die gemessenen Frequenzkalibrierungsdaten zu extrapolieren, um soviel Korrektur wie möglich für nicht kalibrierte Temperaturen über und unter dem gemessenen Temperaturbereich bereitzustellen. Zum Beispiel kann die Vorrichtung selbstgetestet sein zwischen 20°C und 70°C, wohingegen eine verbesserte Temperaturkompensation gewünscht ist von –40°C–85°C. Dies kann algorithmisch in dem Selbstkalibrations- & Temperaturkompensationsblock 330 durchgeführt werden durch Abschätzen des Steuersignals (zum Beispiel der Größe der Steuerspannung), welches bei einer bestimmten Temperatur erforderlich ist zum Treiben der Frequenz des ersten Oszillatorsignals 325 auf dieselbe wie seine normale gewünschte Betriebsfrequenz. Die Abschätzung kann durchgeführt werden unter Verwendung einer Kurvenanpassungsfunktion, zum Bestimmen, was das „erwartete" Steuersignal 315 sein würde. Zum Beispiel könnten die Kurvenanpassungsdaten von den 20°C–70°C-Messungen extrapoliert werden über den 20°C–70°C-Bereich hinaus. In einer Ausführungsform wird eine Kurvenanpassung 2. Ordnung für die gemessenen Daten bereitgestellt und diese Kurvenanpassung wird dann verwendet zum Entwickeln der extrapolierten Kalibrierungsdaten. Darüber hinaus kann in einer weiteren Ausführungsform eine Kurvenanpassung 2. Ordnung einer Untermenge der gemessenen Daten zum Entwickeln der extrapolierten Daten verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Kurvenanpassung 2. Ordnung der gemessenen Daten von 20°C–40°C verwendet werden zum Entwickeln der extrapolierten Daten für niedrigere Temperaturen und eine weitere Kurvenanpassung 2. Ordnung der gemessenen Daten von 50°C–70°C kann verwendet werden zum Entwickeln der extrapolierten Daten für höhere Temperaturen.
In einer weiteren Ausführungsform könnten Messdaten auf Waferniveau oder „typische" Performance-Messdaten bis zu einem Bereich 2. Ordnung die Selbsttestdaten ergänzen. Bekannte Charakteristiken des nominellen Temperaturverhaltens des SCTCO 500 könnten kombiniert werden mit jedem der oben genannten zum weiteren Verbessern der Temperatur-kompensierten Performance.
Resonatoren können auch eine Drift in der Performance über die Zeit aufweisen, aufgrund von Alterung oder aufgrund von anderen Faktoren, wie beispielsweise Änderungen in der Feuchtigkeit. Um dem Rechnung zu tragen, ist es für den SCTCO 300 möglich, sich selbst periodisch zu rekalibrieren. In dem Fall der Installation in einer Drahtlos-Kommunikationsvorrichtung, wie beispielsweise einem Zellulartelefon, kann das Drahtlos-Intrastruktursignal von einer Basisstation, auf welches durch die Hostvorrichtung zugegriffen wird, verwendet werden zum Bereitstellen des Referenzoszillator-Eingangssignals an dem Referenzoszillator-Eingang 307. Da ein kälteres Umgebungsumfeld nicht passend sein kann, können frühere Kalibrierungsdaten außerhalb des Temperaturbereichs der neuen Kalibrierungssequenz mit den neu gemessenen Daten kombiniert werden. In einigen Ausführungsformen kann eine periodische Rekalibrierung so einfach sein wie das Anpassen einer Offset-Frequenz bei einer gemessenen Temperatur und Anwenden derselben über den Temperaturbereich.
Auch können, wenn der SCTCO in einer Hostvorrichtung, wie beispielsweise einer Drahtlos-Kommunikationsvorrichtung (zum Beispiel ein Zellulartelefon, GPS-Empfänger), enthalten ist, eine oder mehrere funktionale Blöcke in 3 und 6 (zum Beispiel der Datenspeicher 340, Prozessor 630, etc.) weggelassen werden, und ihre Funktionen können von Elementen (zum Beispiel Speicher, Prozessor, etc.) ausgeführt werden, die schon in der Hostvorrichtung vorhanden sind, und/oder funktionale Blöcke (zum Beispiel 330, 322, 324, etc.) können monolithisch in andere Komponenten der Hostvorrichtung integriert sein.
7 ist ein funktionales Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Selbstkalibrations- & Temperaturkompensationsblocks 300 während eines normalen Betriebes.
Während des normalen Betriebes ist das Heizelement 316 typischerweise ausgeschaltet und den Heizersteuerleitungen 335 wird keine Leistung zugeführt. Die Frequenz der zweiten Oszillator-Schaltung 324 wird durch den Frequenzteiler 640 und Zähler 610 unter Verwendung der ersten Oszillator-Schaltung 322 als eine Referenzfrequenz gemessen, ähnlich wie während des Kalibrationsbetriebes. Die Frequenzverschiebung der zweiten Oszillator-Schaltung 324 wird an den Prozessor 630 als Temperaturverschiebungsdaten geliefert. Diese Temperaturverschiebungsdaten werden dann mit den Temperaturverschiebungsdaten abgeglichen, die in dem Datenspeicher 340 während des Kalibrierungsprozesses gespeichert wurden, zum Bestimmen der Temperatur des Resonators 312 und um die entsprechenden Oszillator-Korrekturdaten von dem Speicher 340 auszuwählen. Der Prozessor 630 liefert dann das korrekte Steuersignal 315 an die erste Oszillator-Schaltung 322 über die Steuersignal-Erzeugungseinheit 670. Da eine Änderung in dem Steuersignal 315 die Frequenz der ersten Oszillator-Schaltung 322 verschiebt, wird dies wiederum in einer korrigierten Messung der Frequenz der zweiten Oszillator-Schaltung 324 und folglich in einer Korrektur in den Oszillator-Korrekturdaten und der Steuerspannung, die über das Steuersignal 315 der ersten Oszillator-Schaltung 322 zugeführt wird, resultieren. Diese Rückkopplungsschleife ist ausgebildet, um stabil zu sein und für das skizzierte System schnell zu konvergieren.
Eine nochmals bessere Frequenzstabilität des Temperaturkompensierten Referenzoszillator-Ausgangssignals kann erreicht werden durch Betreiben des SCTCO 300 als einen Ofen-gesteuerten Oszillator, was in bestimmten Anwendungen wünschenswert sein kann.
So wird gesehen, dass die verschiedenen Ausführungsformen des SCTCO 300 einen oder mehrere der folgenden Vorteile und Merkmale aufweisen können. In diesem Fall würde es nicht notwendig sein, den SCTCO 300 über solch einen weiteren Temperaturbereich zu kalibrieren. So ist es möglich, dass die Architektur vereinfacht werden könnte.
Der SCTCO 300 liefert eine monolithische Kombination eines ersten Resonators mit einem Temperaturkoeffizient mit einer relativ geringen Größe, einem zweiten Resonator mit einem Temperaturkoeffizient mit einer relativ größeren Größe und ein Heizelement. Die Resonatoren können Filmvolumenakustikresonatoren (FBARs), Volumenakustikwellen(BAW)-Resonatoren, Oberflächenakustikwellen(SAW)-Resonatoren, oder ähnliche resonante Strukturen sein. Auch können in anderen Ausführungsformen andere Paketierungstechniken und Wärmequellen verwendet werden, welche den Resonator, welcher den niedrigeren Temperaturkoeffizienten aufweist, den Temperaturfühlresonator, welcher den größeren Temperaturkoeffizienten aufweist, und die Wärmequelle eng koppeln.
Der Resonator mit niedrigem Temperaturkoeffizienten und der Resonator mit höherem Temperaturkoeffizienten werden verwendet in Oszillator-Schaltungen, die ein Selbstkalibrierungstesten über einen Temperaturbereich ausführen, um algorithmisch die Temperatur-Performance des Oszillators unter Verwendung des Resonators mit niedrigem Temperaturkoeffizienten weiter zu verbessern.
Ferner kann die Integration des SCTCO 300 in andere Konsumer- oder gewerbliche elektronische Vorrichtungen, wie beispielsweise Drahtlos-Kommunikationsvorrichtungen, GPS-Empfänger, persönliche digitale Assistenten (Personal Digital Assistants, PDAs), Laptop-Drahtlosschnittstellen, etc. bestimmte Synergien liefern, wie oben beschrieben. Zum Beispiel kann ein externes Referenzsignal verwendet werden zum Selbstkalibrieren des SCTCO 300 über einen selbst geheizten Temperaturbereich, entweder bereitgestellt direkt für die Vorrichtung während oder nach der Herstellung, oder ein von der Umgebung extrahiertes Signal, in welchem eine Drahtlos-Kommunikationsvorrichtung, wie beispielsweise ein Zellulartelefon, in der Lage ist, zu arbeiten. Dies würde die Verwendung der stabilen Referenzfrequenz bekannter Genauigkeit, welche von einem empfangenen Drahtlos-Signal erhalten wird, zum Beispiel, von einer Basisstation oder im Falle von GPS, von einem Satellit, erlauben.
Während hierin Beispiel-Ausführungsformen offenbart werden, wird es der Fachmann schätzen, dass viele Variationen, die im Einklang mit den vorliegenden Lehren sind, möglich sind und innerhalb des Bereichs der anhängenden Ansprüche bleiben. Die Ausführungsformen sollen daher nicht beschränkt sein, außer innerhalb des Bereichs der anhängenden Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- W. D. Kovan et al., „A 300-MHz digitally compensated SAW oscillator", IEEE Transaction an Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, May, 1988 [0001]

Claims

Selbstkalibrierender Temperatur-kompensierter Oszillator enthaltend: eine monolithische Struktur umfassend einen ersten Resonator, einen zweiten Resonator und ein Heizelement angepasst zum Heizen des ersten und zweiten Resonators in Reaktion auf ein Heizer-Steuersignal, wobei ein Temperaturkoeffizient des zweiten Resonators wesentlich größer ist als ein Temperaturkoeffizient des ersten Resonators; eine erste Oszillator-Schaltung angepasst zum Arbeiten in Verbindung mit dem ersten Resonator und zum Ausgeben eines ersten Oszillator-Ausgangssignals, welches eine erste Schwingfrequenz aufweist, wobei die erste Schwingfrequenz variierbar ist in Reaktion auf ein Steuersignal; eine zweite Oszillator-Schaltung, angepasst zum Arbeiten in Verbindung mit dem zweiten Resonator und zum Ausgeben eines zweiten Oszillator-Ausgangssignals, welches eine zweite Schwingfrequenz aufweist; eine Temperatur-Bestimmungsschaltung zum Bestimmen einer Temperatur des ersten Oszillators unter Verwendung der zweiten oszillierenden Frequenz; und einen Temperaturkompensator, welcher angepasst ist zum Liefern des Steuersignals an den ersten Oszillator in Reaktion auf die bestimmte Temperatur zum Beibehalten des ersten Oszillator-Ausgangssignals bei einer gewünschten Betriebsfrequenz.
Selbstkalibrierender Temperatur-kompensierter Oszillator gemäß Anspruch 1, ferner enthaltend eine Kalibrierungseinheit angepasst zum Messen der zweiten Schwingfrequenz unter Verwendung der ersten Schwingfrequenz als eine Referenz und zum Bestimmen der Temperatur des ersten Resonators basierend auf der gemessenen zweiten Schwingfrequenz, wenn dem Heizelement Energie zugeführt wird, um die Temperatur des ersten Resonators über einen Temperaturbereich zu variieren.
Selbstkalibrierender Temperatur-kompensierter Oszillator gemäß Anspruch 2, wobei die Kalibrationskomponenten umfassen: einen Vergleicher zum Vergleichen eines ersten Teils der ersten Schwingfrequenz, F₁/N, mit einem zweiten Teil einer Frequenz eines externen Referenzsignals, F_IN/M, während eines Kalibrationsbetriebes, und zum Erzeugen eines Frequenzdifferenzsignals, welches mindestens eine Frequenzdifferenz zwischen F₁/N und F_IN/M angibt; und eine Steuersignal-Erzeugungseinheit angepasst zum Bereitstellen des Steuersignals an den ersten Oszillator während des Kalibrationsbetriebes in Reaktion auf die das Frequenzdifferenzsignal zum Treiben der ersten Schwingfrequenz, um gleich der Referenzfrequenz zu sein.
Selbstkalibrierender Temperatur-kompensierter Oszillator nach Anspruch 3, wobei der selbstkalibrierende Temperatur-kompensierte Oszillator in einer Drahtlos-Vorrichtung bereitgestellt ist, und wobei das externe Referenzsignal von einem Drahtlossignal erzeugt wird, welches von der Drahtlos-Vorrichtung empfangen wird.
Selbstkalibrierender Temperatur-kompensierter Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner enthaltend eine Datenspeichervorrichtung angepasst zum Speichern von Frequenzkalibrierungsdaten für den selbstkalibrierenden Temperatur-kompensierten Oszillator, wobei die bestimmte Temperatur mit den Frequenzkalibrierungsdaten verwendet wird zum Bestimmen des Steuersignals, welches an den ersten Oszillator geliefert werden soll zum Beibehalten des ersten Oszillator-Ausgangssignals bei der gewünschten Betriebsfrequenz.
Selbstkalibrierender Temperatur-kompensierter Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Temperaturkoeffizient des zweiten Resonators mindestens viermal größer ist als der Temperaturkoeffizient des ersten Resonators.
Selbstkalibrierender Temperatur-kompensierter Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Temperaturbestimmungsschaltung einen Zähler zum Empfangen des zweiten Oszillator-Ausgangssignals umfasst und getaktet ist durch das Ausgangssignal des ersten Oszillators, zum Erzeugen eines Signals, welches die zweite Schwingfrequenz angibt, wobei die zweite Schwingfrequenz der Temperatur des ersten Resonators entspricht.
Selbstkalibrierender Temperatur-kompensierter Oszillator nach Anspruch 7, wobei der Temperaturkompensator umfasst: eine Datenspeichervorrichtung, welche angepasst ist zum Speichern von Frequenzkalibrierungsdaten für den selbstkalibrierenden Temperatur-kompensierten Oszillator, wobei die bestimmte Temperatur mit den Frequenzkalibrierungsdaten verwendet wird zum Abrufen von Steuerdaten von der Datenspeichervorrichtung entsprechend der bestimmten Temperatur; und eine Steuersignal-Erzeugungseinheit, welche angepasst ist zum Liefern des Steuersignals an den ersten Oszillator in Reaktion auf die abgerufenen Steuerdaten.
Selbstkalibrierender Temperatur-kompensierter Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die ersten und zweiten Resonatoren jeweils einer von einem Filmvolumenakustikresonator (FBAR) und einer Volumenakustikwellen(BAW)-Vorrichtung sind.
Selbstkalibrierender Temperatur-kompensierter Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Heizelement angepasst ist zum Heizen des ersten Resonators auf eine gewünschte Betriebstemperatur, so dass der selbstkalibrierende Temperatur-kompensierte Oszillator ein Ofen-gesteuerter Oszillator ist.
Verfahren zum Betreiben eines selbstkalibrierenden Temperaturkompensierten Oszillators enthaltend: Bereitstellen einer ersten Oszillator-Schaltung, welche angepasst ist zum Arbeiten in Verbindung mit einem ersten Resonator und zum Ausgeben eines ersten Oszillator-Ausgangssignals, welches eine erste Schwingfrequenz aufweist, wobei der erste Resonator einer von einem Filmvolumenakustikresonator (FBAR) und einer Volumenakustikwellen(BAW)-Vorrichtung ist, und die erste Schwingfrequenz veränderbar ist in Reaktion auf ein Steuersignal; Bereitstellen einer zweiten Oszillator-Schaltung angepasst zum Arbeiten in Verbindung mit einem zweiten Resonator und zum Ausgeben eines zweiten Oszillator-Ausgangssignals, welches eine zweite Schwingfrequenz aufweist, wobei die zweiten Resonatoren einer von einem FBAR und einer BAW-Vorrichtung sind; Bestimmen einer Temperatur des ersten Resonators basierend auf der zweiten Schwingfrequenz, unter Verwendung des zweiten Resonators als einen Temperatursensor; und Bereitstellen des Steuersignals an den ersten Oszillator in Reaktion auf die bestimmte Temperatur zum Beibehalten des ersten Oszillator-Ausgangssignals bei einer gewünschten Betriebsfrequenz.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bestimmen einer Temperatur des ersten Resonators basierend auf der zweiten Schwingfrequenz das Bestimmen der zweiten Schwingfrequenz unter Verwendung des ersten Oszillator-Ausgangssignals als einen Takt umfasst, wobei die zweite Schwingfrequenz der Temperatur des ersten Resonators entspricht.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner enthaltend: Verwenden der bestimmten Temperatur zum Zugreifen auf Frequenzkalibrierungsdaten für den selbstkalibrierenden Temperaturkompensierten Oszillator, welche in einem Datenspeicher gespeichert sind und zum hiervon Abrufen von Oszillator-Korrekturdaten; und Erzeugen des Steuersignals aus den Oszillator-Korrekturdaten.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, welches die bestimmte Temperatur verwendet zum Berechnen von Oszillator-Korrekturdaten basierend auf einer Gleichung, welche angepasst wird an Frequenzkalibrationsdaten, welche für den selbstkalibrierenden Temperatur-kompensierten Oszillator während einer Kalibrationsprozedur erhalten wurden; und Erzeugen des Steuersignals aus den Oszillator-Korrekturdaten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, ferner enthaltend das Heizen des ersten Resonators auf eine gewünschte Betriebstemperatur, so dass der selbstkalibrierende Temperaturkompensierte Oszillator ein Ofen kontrollierter Oszillator ist.
Verfahren zum Kalibrieren eines selbstkalibrierenden Temperaturkompensierten Oszillators, enthaltend eine erste Oszillator-Schaltung angepasst zum Arbeiten in Verbindung mit einem ersten Resonator und zum Ausgeben eines ersten Oszillator-Ausgangssignals, welches eine erste Schwingfrequenz aufweist, wobei die erste Schwingfrequenz variabel ist in Reaktion auf ein Steuersignal, und eine zweite Oszillator-Schaltung angepasst zum Arbeiten in Verbindung mit einem zweiten Resonator und zum Ausgeben eines zweiten Oszillator-Ausgangssignals, welches eine zweite Schwingfrequenz aufweist, das Verfahren enthaltend: (1) Heizen des ersten Resonators auf eine bestimmte Temperatur unter Verwendung eines Heizelements, welches auf derselben monolithischen Struktur bereitgestellt ist wie der erste Resonator; (2) Liefern eines Steuersignals an den ersten Oszillator zum Beibehalten des ersten Oszillator-Ausgangssignals bei einer gewünschten Betriebsfrequenz; (3) Bestimmen der zweiten Schwingfrequenz der zweiten Oszillator-Schaltung unter Verwendung der ersten Schwingfrequenz als eine Referenz; (4) Speichern in einem Datenspeicher Frequenzkalibrationsdaten für die bestimmte Temperatur enthaltend Daten, welche der zweiten Schwingfrequenz der zweiten Oszillator-Schaltung entsprechen und Daten, welche dem Steuersignal entsprechen, welches an den ersten Oszillator geliefert wird zum Beibehalten des ersten Oszillator-Ausgangssignals bei der gewünschten Betriebsfrequenz; und (5) Wiederholen der Schritte (1) bis (4) für eine Vielzahl von Temperaturen, welche einen Testtemperaturbereich überspannen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Heizen des ersten Resonators auch ein Heizen des zweiten Resonators unter Verwendung eines Heizelementes umfasst, welches auf einer monolithischen Struktur bereitgestellt ist, welche ferner den ersten Resonator und den zweiten Resonator enthält.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Liefern eines Steuersignals an den ersten Oszillator zum Beibehalten des ersten Oszillator-Ausgangssignals bei einer gewünschten Betriebsfrequenz umfasst: Bereitstellen eines externen Referenzsignals mit einer Frequenz F_IN; Vergleichen eines ersten Teils der ersten Schwingfrequenz, F₁/N, mit F_IN/M; Erzeugen eines Frequenzdifferenzsignals, welches mindestens eine Frequenzdifferenz zwischen F₁/N und F_IN/M angibt; und in Reaktion auf das Frequenzdifferenzsignal, Liefern des Steuersignals an den ersten Oszillator zum Treiben der ersten Schwingfrequenz, um gleich der Referenzfrequenz zu sein.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der selbstkalibrierende Temperatur-kompensierte Oszillator in einer Drahtlos-Vorrichtung bereitgestellt ist und wobei das Liefern des externen Referenzsignals das Empfangen eines Drahtlossignals umfasst, welches von der Drahtlos-Vorrichtung empfangen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, ferner enthaltend ein Anpassen einer Gleichung an mindestens einen Teil der Frequenzkalibrierungsdaten und Verwenden der Gleichung zum Interpolieren von Frequenzkalibrierungsdaten an Temperaturpunkten zwischen den Temperaturen, die in den Schritten (1) bis (5) gemessen wurden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, ferner enthaltend ein Extrapolieren der Frequenzkalibrierungsdaten über einen Betriebstemperaturbereich, der größer ist als der Testtemperaturbereich.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Extrapolieren der Frequenzkalibrierungsdaten über einen Betriebstemperaturbereich, der größer ist als der Kalibrationstemperaturbereich ein Anpassen einer Gleichung an mindestens einen Teil der Frequenzkalibrierungsdaten und Verwenden der Gleichung zum Extrapolieren der Frequenzkalibrierungsdaten über den Betriebstemperaturbereich umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei die ersten und zweiten Resonatoren jeweils einer von einem Filmvolumenakustikresonator (FBAR) und einer Volumenakustikwellen(BAW)-Vorrichtung sind.