DE19882433B4

DE19882433B4 - Funktionsgenerator für eine Näherungsfunktion dritter Ordnung unter Verwendung des Generators hergestellte temperatur-kompensierte Kristalloszillatorschaltung und Temperaturkompensationsverfahren

Info

Publication number: DE19882433B4
Application number: DE19882433T
Authority: DE
Inventors: Kenji Sagamihara Nemoto
Original assignee: Asahi Kasei Microsystems Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Microsystems Co Ltd
Priority date: 1997-06-02
Filing date: 1998-06-01
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2018-06-02
Also published as: DE19882433T1; GB2341020A; WO1998056105A1; JP3233946B2; GB2341020A8; CN1266828C; GB2341020B; US6584380B1; GB9928544D0; CN1257619A

Abstract

Generatorschaltung (8) zur Bereitstellung einer Funktionskomponente dritter Ordnung enthaltend:
einen ersten Verstärker (15A), einen zweiten Verstärker (15B) und einen dritten Verstärker (15C), von denen jeder ein gemeinsames Eingangssignal und ein unterschiedliches Festpegelsignal (V_REFL; V_REFM; V_REFH) empfängt, wobei die drei von dem jeweiligen ersten, zweiten und dritten Verstärker (15A, 15B, 15C) empfangenen unterschiedlichen Festpegelsignale in dieser Reihenfolge sequentiell im Pegel zunehmen, jeder Verstärker (15A, 15B, 15C) eine Eingangs-Ausgangscharakteristik hat, bei der ein nichtinvertiertes oder invertiertes Ausgangssignal auf Basis des gemeinsamen Eingangssignals und des betroffenen Festpegelsignals erzeugt wird, der Verstärker auch eine Funktion hat, das Ausgangssignal innerhalb eines durch einen maximalen vorbestimmten Wert und einen minimalen vorbestimmten Wert definierten Bereiches zu begrenzen; gekennzeichnet durch
einen vierten Verstärker (15D), der das gemeinsame Eingangssignal und das gleiche Festpegelsignal wie der zweite Verstärker (15B) empfängt, wobei der vierte Verstärker (15D) eine Eingangs-Ausgangscharakteristik hat, bei der ein nichtinvertiertes oder invertiertes Ausgangssignal auf Basis des...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Funktionsgenerator für eine Näherungsfunktion dritter Ordnung, beispielsweise zu verwenden in einem temperaturkompensierten Kristalloszillator, eine temperaturkompensierte Kristalloszillatorschaltung, die unter Verwendung des Funktionsgenerators hergestellt ist, und ein Temperaturkompensationsverfahren.

Ein Beispiel eines Funktionsgenerators dieser Bauart für eine Näherungsfunktion dritter Ordnung ist die Erfindung, die beispielsweise in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 9-55624 beschrieben ist, die von dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung vorher vorgeschlagen wurde.

Diese Druckschrift beschreibt eine Generatorschaltung für eine Näherungskurve dritter Ordnung, die drei Differentialverstärker aufweist, von denen jeder ein Paar MOS Feldeffekttransistoren enthält, die ein gemeinsames Eingangssignal erster Ordnung und ein Festpegelsignal empfangen, wobei die jeweiligen Festpegelsignale für die drei Differentialverstärker unterschiedliche Pegel haben, und ein nicht invertiertes Ausgangssignal und ein invertiertes Ausgangssignal erzeugen und die nicht invertierten Ausgangssignale und die invertierten Ausgangssignale aus den drei Differentialverstärkern jeweils gruppenweise addiert werden.

Der vorstehend beschriebene Generator kann zwar eine Näherungsfunktion dritter Ordnung erzeugen; er kann jedoch seine Variable nicht willkürlich unabhängig steuern, worin ein ungelöstes Problem besteht.

Eine allgemeine Formel für eine Funktion dritter Ordnung lautet: f(x) = a3x3 + a2x2 + a1x + a0 (1)

Durch Transformieren der Variablen im Ausdruck (1) kann der Ausdruck (1) folgendermaßen umgeschrieben werden: f(x) = a3' (x – x0)3 + a1'(x – x0) + a0' (2) a3 = a3' a2 = –3a3'x0 a1 = 3a3'x0 2 + a1' a0 = a0' – a3x0 3 – a1'x0.

Da im Stand der Technik die drei Differentialverstärker verwendet werden, um eine Näherungsfunktion dritter Ordnung zu erzeugen, ist die ausgegebene Näherungsfunktion dritter Ordnung in 15 dargestellt, die durch den folgenden Ausdruck (3) gegeben ist.

Dieser Ausdruck (3) enthält dadurch eine zweite Termkomponente, des Ausdrucks (2) und Variable a₃' und a₁' im Ausdruck (2) können nicht unabhängig von einander kontrolliert bzw. gesteuert werden, worin ein ungelöstes Problem besteht. f(x) = α{a3''(x – x0)3 + a1''(x – x0)} + a'' (3)

Genauer muß, wenn der Funktionsgenerator für die Näherungsfunktion dritter Ordnung zur Temperaturkompensation einer spannungsgesteuerten Kristallos zillatorschaltung verwendet wird, eine Näherungsfunktion dritter Ordnung, die eine Temperatureigenschaft des Kristalloszillators kompensiert, erzeugt werden, jedoch kann keine genaue temperaturkompensierte Kristalloszillatorschaltung gebildet werden, was ein ungelöstes Problem darstellt.

DE 30 08 686 offenbart eine Temperaturkompensationsanordnung für einen Oszillator, wobei das erzeugte Ausgangssignal eine Komponente erster Ordnung aufweist. Die DE 30 08 686 offenbart die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

DE 694 12 306 offenbart temperaturkompensierte Quarzoszillatoren, wobei die Temperatureigenschaft eines Quarzoszillators durch lineare Approximation kompensiert wird.

US 4,569,959 offenbart eine Schaltung, die eine Funktionskomponente dritter Ordnung erzeugt, in dem eine Mehrzahl von Multiplizieren verwendet wird, wodurch die Schaltung kompliziert wird.

DE 26 17 737 offenbart eine Schaltung ohne Differenzverstärker, wobei die erzeugte Ausgabe eine Komponente erster Ordnung aufweist.

DE 44 16 981 offenbart eine Schaltungsanordnung mit einer Gosamtübertragungsfunktion höheren Grades.

Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorgenannten ungelösten Probleme des Standes der Technik gemacht. Eine erste Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Funktionsgenerator für eine Näherungsfunktion dritter Ordnung zu schaffen, der in der Lage ist, nur eine erste Termkomponente des Ausdrucks (2) genau auszugeben und die jeweiligen Variablen unabhängig zu steuern.

Eine zweite Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine temperaturkompensierte Kristalloszillatorschaltung zu schaffen, die einen Funktionsgenerator für eine Näherungsfunktion dritter Ordnung verwendet, um eine genaue Temperaturkompensation durchzuführen.

Eine dritte Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Durchführen einer Temperaturkompensation für eine temperaturkompensierte Kristalloszillatorschaltung zu schaffen.

Um die erste Aufgabe zu lösen, enthält ein Funktionsgenerator für eine Näherungsfunktion dritter Ordnung einen ersten Verstärker, einen zweiten Verstärker und einen dritten Verstärker, von denen jeder ein gemeinsames Eingangssignal und ein unterschiedliches Festpegelsignale empfängt, wobei die drei von dem jeweiligen ersten, zweiten und dritten Verstärker empfangenen unterschiedlichen Festpegelsignale in dieser Reihenfolge sequentiell im Pegel zunehmen, jeder Verstärker eine Eingangs-Ausgangscharakteristik hat, bei der ein nicht invertiertes oder invertiertes Ausgangssignal auf Basis des gemeinsamen Ein gangssignal und des betroffenen Festpegelsignals erzeugt wird, der Verstärker auch eine Funktion hat, das Ausgangssignal innerhalb eines durch einen maximalen vorbestimmten Wert und einen minimalen vorbestimmten Wert definierten Bereiches zu begrenzen; einen vierten Verstärker, der das gemeinsame Eingangssignal und das gleiche Festpegelsignal wie der zweite Verstärker empfängt, wobei der vierte Verstärker eine Eingangs-Ausgangscharakteristik hat, bei der ein nicht invertiertes oder invertiertes Ausgangssignal auf Basis des gemeinsamen Eingangssignals und des betroffenen Festpegelsignals erzeugt wird, und eine Funktion hat, das Ausgangssignal innerhalb eines durch einen maximalen vorbestimmten Wert und einen minimalen vorbestimmten Wert definierten Bereiches zu begrenzen; und eine Festpegelsignalgeneratorschaltung zum Liefern der Festpegelsignale mit den unterschiedlichen Festpegeln an den ersten, zweiten, dritten und vierten Verstärker, wobei die Ausgangscharakteristika des ersten, zweiten und vierten Verstärkers derart eingestellt sind, daß sie die gleiche Polarität haben, die Ausgangscharakteristik des zweiten Verstärkers derart eingestellt ist, daß sie zu der des ersten, dritten und vierten Verstärkers invertiert ist, wobei die Ausgangssignale des ersten, zweiten, dritten und vierten Verstärkers addiert werden, um eine Funktionskomponente dritter Ordnung zu erzeugen, die frei von einer Komponente erster Ordnung ist.

Gemäß der Erfindung ist der zweite Verstärker, der eine Charakteristik umgekehrt zu der des ersten, dritten und vierten Verstärkers hat, vorgesehen, so daß nur eine Komponente dritter Ordnung erzeugt werden kann, die frei von der Komponente erster Ordnung als der erste Term im Ausdruck (2) ist, der von dem ersten, zweiten und dritten Verstärker erzeugt wird. Auf diese Weise können die Variablen des ersten und zweiten Terms des Ausdrucks (2) unabhängig gesteuert werden.

Ein Funktionsgenerator für eine Näherungsfunktion dritter Ordnung gemäß der Erfindung enthält eine Generatoreinheit für eine Komponente dritter Ordnung, die eine Generatorschaltung für die Funktionskomponente dritter Ordnung mit dem Aufbau gemäß Anspruch 1, der als Eingangsspannung erster Ordnung eine addierte Eingangsspannung zugeführt wird, die die Summe des Eingangsspannungssignals erster Ordnung und eines veränderbaren Spannungssignals enthält, und einen Regelverstärker enthält, der eine verstärkte Version des Differentials zwischen dem nicht invertierten und dem invertierten Ausgangssignal aus der Generatorschaltung für die Komponente dritter Ordnung empfängt; eine Generatoreinheit für die Komponente erster Ordnung zum Empfang der addierten Eingangsspannung und zum Erzeugen einer Komponente erster Ordnung; eine Generatorschaltung für eine Konstante zum Empfangen eines Konstantspannungssignals und zum Erzeugen einer konstanten Komponente; und eine Addierschaltung zum Addieren der Ausgangssignale aus der Generatoreinheit für die Komponente dritter Ordnung, der Generatoreinheit erster Ordnung und der Generatoreinheit für die Konstante.

Die Erfindung gemäß Anspruch 2 ist derart aufgebaut, daß sie den Generator für die Komponente dritter Ordnung, die Generatoreinheit für die Komponente erster Ordnung und die Generatoreinheit für die Konstante enthält, die den Aufbau gemäß Anspruch 1 haben und deren Ausgangssignale addiert werden. Auf diese Weise kann die Funktion dritter Ordnung des Ausdrucks (2) genau erzeugt werden und die jeweiligen Variablen können unabhängig von einander gesteuert werden.

Ein Funktionsgenerator für eine Näherungsfunktion dritter Ordnung gemäß Anspruch 3 ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Erfindung gemäß Anspruch 1 oder 2 der vierte Verstärker eine Ausgangscharakteristik mit einer zu der invertierten Ausgangscharakteristik des zweiten Verstärkers invertierten Steigung aufweist, und daß der Abstand zwischen dem maximalen und dem minimalen Wert des Ausgangssignals derart eingestellt ist, daß er größer als der des zweiten Verstärkers ist.

Gemäß der Erfindung kann eine gerade Näherungslinie erster Ordnung in einem Bereich von Eingangsspannungen erzeugt werden, die durch eine Funktion dritter Ordnung angenähert werden kann, die von den ersten drei Verstärkern erzeugt wurde, wodurch sichergestellt ist, daß die in der Komponente dritter Ordnung enthaltene Komponente erster Ordnung ausgeglichen ist.

Ein Funktionsgenerator für eine Näherungsfunktion dritter Ordnung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß die ersten vier Verstärker jeweils einen Differentialverstärker mit einem Paar von MOS Feld Effekt Transistoren enthalten.

Gemäß der Erfindung enthält der Funktionsgenerator für die Näherungsfunktion dritter Ordnung CMOSs, um dadurch eine höhere Integrationsdichte und eine verminderte Leistungsaufnahme zu erreichen.

Eine temperaturkompensierte Kristalloszillatorschaltung ist gekennzeichnet durch eine Temperaturerfassungsschaltung, eine Temperaturkompensationsschaltung, die einen Funktionsgenerator für eine Näherungsfunktion dritter Ordnung gemäß der Erfindung zum Empfangen eines erfaßten Signals von der Temperaturfassungsschaltung enthält, und eine spannungsgesteuerte Kristalloszillatorschaltung zum Empfangen der von der Temperaturkompensationsschaltung erzeugten Näherungsfunktion dritter Ordnung.

In dem Funktionsgenerator für die Näherungsfunktion dritter Ordnung der Temperaturkompensationsschaltung wird eine genaue Funktion dritter Ordnung erzeugt, die von einer in der Komponente dritter Ordnung enthaltenen Komponente erster Ordnung frei ist. Die Temperaturcharakteristik des Kristalloszillators in der spannungsgesteuerten Kristalloszillatorschaltung wird genau kompensiert.

Ein Temperaturkompensationseinstellverfahren für einen temperaturkompensierten Kristalloszillator nach Anspruch 6 enthält die Schritte: Messen einer Ausgangsspannung V_Cout aus einer Temperaturkompensationsschaltung in einer vorbestimmten Temperaturatmosphäre; Messen einer Eingangsspannung V_Cin für die spannungsgesteuerte Kristalloszillatorschaltung, wobei die Ausgangsschwingungsfrequenz der spannungsgesteuerten Kristalloszillatorschaltung mit einer vorbestimmten ausgewählten Frequenz bei einer jeweiligen aus einer Mehrzahl von Temperaturen T in einem erwünschten Temperaturkompensationsbereich zusammenfällt; wobei die gemessene Eingangsspannung V_Cin und Ausgangsspannung V_Cout bei der jeweiligen Temperatur näherungsweise dargestellt ist durch: VCin(T) = α3(T – T0)3 + α1(T – T0) + α0 VCout(T) = β3(T – T0')3 + β1(T0') + β0;und die Koeffizienten β₀, β₁, β₃ und T₀' der Temperaturkompensationsschaltung so eingestellt sind, daß sie mit dem Koeffizienten α₀, α₁ α₃ und T₀ zusammenfallen, die einem Kristallresonator der spannungsgesteuerten Kristalloszillatorschaltung eigen sind.

In der Erfindung gemäß Anspruch 6 werden die Ausgangsspannung V_Cout der Temperaturkompensationschaltung und die Eingangsschaltung V_Cin zu der spannungsgesteuerten Kristalloszillatorschaltung an der jeweiligen aus einer Mehrzahl von Temperaturen in dem gewünschten Temperaturkompensationsbereich gemessen und durch jeweilige Funktionsausdrücke dritter Ordnung jeweils als Funktion einer Temperatur angenähert. Die Koeffizienten der Temperaturkompensationsschaltung werden so eingestellt, daß sie mit von dem Kristallresonator der spannungskontrollierten Oszillatorschaltung abhängigen Koeffizienten übereinstimmen und daher wird die Temperaturkompensation durch einen einzigen Temperaturabtastvorgang erreicht.

Wie vorstehend beschrieben enthält der Funktionsgenerator für eine Näherungsfunktion dritter Ordnung gemäß der Erfindung einen ersten Verstärker, einen zweiten Verstärker und einen dritten Verstärker, von denen jeder ein gemeinsames Eingangssignal und ein unterschiedliches Festpegelsignal empfängt, wobei die drei unterschiedlichen, von dem ersten, zweiten und dritten Verstärker empfangenen Festpegelsignale in dieser Reihenfolge sequentiell im Pegel zunehmen, jeder Verstärker eine Eingangs-Ausgangscharakteristik hat, in der ein nichtinvertiertes oder invertiertes Ausgangssignal basierend auf dem gemeinsamen Eingangssignal und dem betroffenen Festpegelsignal erzeugt wird, der Verstärker auch eine Funktion zur Begrenzung des Ausgangssignals innerhalb eines durch einen maximalen vorbestimmten Wert und einen minimalen vorbestimmten Wert definierten Bereiches hat; ein vierter Verstärker das gemeinsame Eingangssignal und das gleiche Festpegelsignal, wie es der zweite Verstärker empfängt, empfängt; der vierte Verstärker eine Eingangs-Ausgangscharakteristik hat, in der ein nichtinvertiertes oder invertiertes Ausgangssignal, basierend auf dem gemeinsamen Eingangssignal und dem betroffenen Festpegelsignal, erzeugt wird, und eine Funktion zur Begrenzung des Ausgangssignals innerhalb eines Bereiches aufweist, der durch einen maximalen vorbestimmten Wert und einem minimalen vorbestimmten Wert gegeben ist; und eine Festpegelsignalgeneratorschaltung zum Zuführen der Festpegelsignale mit den unterschiedlichen festen Pegeln zu den ersten vier Verstärkern, wobei die Ausgangscharakteristika des ersten, dritten und vierten Verstärkers derart eingestellt sind, daß sie die gleiche Polarität haben, die Ausgangscharakteristik des zweiten Verstärkers derart eingestellt ist, daß sie invertiert zu denen des ersten, dritten und vierten Verstärkers ist, die Ausgangssignale aus dem ersten, zweiten, dritten und vierten Verstärker addiert werden, um eine von einer Komponente erster Ordnung freie Funktionskomponente dritter Ordnung zu erzeugen. Auf diese Weise wird nur die von der Komponente erster Ordnung freie Komponente dritter Ordnung in der Funktion dritter Ordnung ausgegeben. Somit können die Variablen der Funktion dritter Ordnung unabhängig von einander gesteuert werden.

Entsprechend der Erfindung enthält der Funktionsgenerator für eine Näherungsfunktion dritter Ordnung eine Generatoreinheit für eine Komponente dritter Ordnung, die eine Generatorschaltung für eine Komponente dritter Ordnung mit dem Aufbau gemäß Anspruch 1 aufweist, der als Eingangsspannung erster Ordnung eine addierte Spannung zugeführt wird, die die Summe des Eingangsspannungssignals erster Ordnung und eines variablen Spannungssignals enthält und einen Regelverstärker, der eine verstärkte Version des Differentials bzw. der Differenz zwischen dem nichtinvertierten und invertierten Ausgangssignalen aus der Generatorschaltung der Komponente dritter Ordnung empfängt; eine Generatorschaltung für eine Komponente erster Ordnung zum Empfangen der addierten Eingangsspannung und zum Erzeugen einer Komponente erster Ordnung; eine Konstantgeneratorschaltung zum Empfangen eines Konstantspannungssignal und zum Erzeugen einer konstanten Komponente; und eine Addierschaltung zum Addieren von Ausgangssignalen aus der Generatoreinheit der Komponente dritter Ordnung, der Generatorordnung erster Ordnung und der Konstantgeneratoreinheit. Durch unabhängiges Steuern der jeweiligen Variablen einer Komponente dritter Ordnung, einer Komponente erster Ordnung und einer konstanten Komponente, die erhalten wird, wenn eine Funktion dritter Ordnung allgemeiner Form bezüglich ihrer Variablen konvertiert wird, wird jegliche Funktion dritter Ordnung als eine Eingangsspannung und Ausgangsspannung verwirklicht.

Entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung hat der vierte Verstärker eine Ausgangscharakteristik mit zu der invertierten Ausgangscharakteristik des zweiten Verstärkers invertierter Steigung, und der Abstand zwischen dem maximalen und minimalem Wert des Ausgangssignals ist derart eingestellt, daß er größer als der des zweiten Verstärkers ist. Auf dies Weise kann eine gerade Näherungslinie erster Ordnung in einem Bereich von Eingangsspannungen erzeugt werden, die durch die Funktion dritter Ordnung angenähert werden kann, die von den ersten drei Verstärkern erzeugt wurde, um dadurch sicherzustellen, daß die in der Komponente dritter Ordnung enthaltene Komponente erster Ordnung ausgeglichen ist.

Entsprechend einer anderen Weiterbildung der Erfindung enthalten die ersten vier Verstärker jeweils einen Differentialverstärker mit einem Paar von MOS Feld Effekt Transistoren. Auf diese Weise hat der gesamte Funktionsgenerator für die Näherungsfunktion dritter Ordnung einen CMOS Aufbau, um dadurch eine höhere Integrationsdichte und eine verminderte Leistungsaufnahme zu erreichen.

Gemäß der Erfindung enthält die temperaturkompensierte Kristalloszillatorschaltung eine Temperaturerfassungsschaltung, eine Temperaturkompensationsschaltung, die einen Funktionsgenerator für eine Näherungsfunktion dritter Ordnung gemäß der Erfindung zum Empfangen eines Erfassungssignals aus der Temperaturfassungsschaltung enthält, und eine spannungsgesteuerte Kristalloszillatorschaltung zum Empfangen der von der Temperaturkompensationsschaltung erzeugten Näherungsfunktion dritter Ordnung. Auf diese Weise wird eine genaue Funktion dritter Ordnung, die frei von einer in der Komponente dritter Ordnung enthaltenen Komponente erster Ordnung ist, wie vorstehend beschrieben, in dem Funktionsgenerator, der Näherungsfunktion dritter Ordnung der Temperaturkompensationsschaltung erzeugt. Auf diese Weise wird die Temperaturcharakteristik des Kristalloszillators in der spannungsgesteuerten Kristalloszillatorschaltung genau kompensiert.

Entsprechend der Erfindung werden die Ausgangsspannung V_Cout der Temperaturkompensationsschaltung und die Eingangsspannung V_Cin der spannungsgesteuerten Kristalloszillatorschaltung an einer jeweiligen einer Mehr zahl von Temperaturen in dem gewünschten Temperaturkompensations bereich gemessen und durch die entsprechenden Ausdrücke der Funktion dritter Ordnung jeder als Funktion einer Temperatur angenähert. Die Koeffizienten der Temperaturkompensationsschaltung werden dann derart eingestellt, daß sie mit von dem Kristallresonator der spannungsgesteuerten Kristallschaltung abhängigen Koeffizienten übereinstimmen und entsprechend wird eine hochgenaue Temperaturkompensation durch einen einzigen Temperaturabtastvorgang erreicht.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung;
2 ist ein Schaltbild einer Generatoreinheit einer Komponente dritter Ordnung und einer konstanten Komponente gemäß 1;
3 ist ein Schaltbild eines Beispiels der Generatorschaltung für die Komponente dritter Ordnung gemäß 2;
4 ist ein Schaltbild eines Beispiels einer Generatorschaltung für eine konstante Spannung gemäß 1;
5 ist eine Darstellung einer Ausgangskurve aus einer Temperaturerfassungsschaltung gemäß 1;
6 ist ein Schaltbild eines Beispiels einer Generatorschaltung für eine Komponente erster Ordnung gemäß 1;
7 ist ein grundsätzliches Schaltbild zur Erläuterung des Betriebs der Generatorschaltung dritter Ordnung der 3;
8 ist ein Diagramm von Ausgangskurven der 7;
9 ist ein Schaltbild einer grundsätzlichen Generatoreinheit für die Komponente dritter Ordnung der Generatorschaltung für die Komponente dritter Ordnung;
10 ist eine Kennlinie der invertierten Ausgangscharakteristik der jeweiligen Differentialverstärker zur Erläuterung des Betriebs der Generatorschaltung für die Komponente dritter Ordnung der 3;
11 ist eine Ausgangskurve zur Erläuterung des Betriebs der Generatorschaltung für die Komponente dritter Ordnung gemäß 3;
12 zeigt Kurven einer Eingangs-/Ausgangscharakteristik eines vierten Differentialverstärkers der 3;
13 zeigt eine Ausgangskurve zur Erläuterung des Betriebs des Funktionsgenerators für die dritte Ordnung der 1;
14 ist eine Temperaturcharakteristik eines Kristallresonators und
15 zeigt eine Ausgangskurve eines herkömmlichen Funktionsgenerators dritter Ordnung.

1: Temperaturerfassungschaltung
2: Funktionsgenerator für eine Näherungsfunktion dritter Ordnung
100: spannungsgesteuerter Kristalloszillator
3: Addierstufe
4: Generatoreinheit für die Komponente dritter Ordnung und die konstante Komponente
5: Generatoreinheit für die Komponente erster Ordnung
7: Addierschaltung
8: Generatorschaltung für die Komponente dritter Ordnung
11: Differentialverstärker
12: Regelverstärker
14: Stromspiegelschaltung
15A–15D: Differentialverstärker
TrA₁–TrD₂: MOS Feld Effekt Transistoren
16A, 16B: Ausgangsspannungsaddiennriderstände
17: Festpegelgeneratorschaltung
18: Konstantspannungsgeneratorschaltung
VR: Veränderbarer Widerstand
20: Nichtinvertierender Verstärker

Beste Art Ausführung der Erfindung
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines temperaturkompensierten Kristalloszillators, für den die vorliegende Erfindung angewendet wird.
In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Temperaturerfassungschaltung, deren analoge Ausgangsspannung sich linear in Abhängigkeit von ihrer Temperaturänderung ändert. Ein erfaßter Temperaturwert einer analogen Spannung, der von der Temperaturerfassungschaltung 1 ausgegeben wird, wird als Eingangssignal V_IN dem Funktionsgenerator 2 für eine Näherungsfunktion dritter Ordnung eingegeben, um eine Steuerspannung zur Kompensation der Temperaturcharakteristik des Kristalls zu erzeugen. Die Steuerspannung wird dann einem spannungsgesteuerten Kristalloszillator (VCXO) 100 zugeführt.
Die Temperaturerfassungsschaltung 1 und der Funktionsgenerator 2 für die Näherungsfunktion dritter Ordnung bilden eine Temperaturkompensationsschaltung. Der Funktionsgenerator 2 für eine Näherungsfunktion dritter Ordnung erzeugt die durch den Ausdruck (2) gegebene Funktion dritter Ordnung und enthält eine Addierstufe 3, die das Eingangssignal V_IN und eine variable Spannung V₀' aufsummiert, eine Generator NET 4 für eine Komponente dritter Ordnung und eine konstante Komponente, die ein aufsummiertes Ausgangssignal V_s von der Addierstufe V₃ empfängt und eine Komponente dritter Ordnung und eine konstante Komponente des ersten Terms des Ausdrucks (2), basierend auf dem aufsummierten Ausgangssignal V_s, erzeugt, eine Generatoreinheit 5 für eine Komponente erster Ordnung, die eine Komponente erster Ordnung eines zweiten Terms des Ausdrucks (2) erzeugt, und eine Addierschaltung 7, die die Ausgangssignale von der Generatoreinheit 4 für die Kom ponente dritter Ordnung und der Generatoreinheit 5 für die Komponente erster Ordnung aufsummiert.
Wie in 2 gezeigt, ist die Generatoreinheit 4 für die Komponente dritter Ordnung und die Konstantkomponente aus einer Generatorschaltung 8 für eine Komponente dritter Ordnung als Funktionsgenerator für eine Näherungsfunktion dritter Ordnung im engeren Sinne, der nur die Komponente dritter Ordnung erzeugt, einem Differentialverstärker 11, der ein nichtinvertiertes Ausgangssignal P_OUT und ein invertiertes Ausgangssignal N_OUT über Pufferschaltungen 9 und 10 empfängt, und einem Verstärker mit veränderbarer Verstärkung beziehungsweise einem Regelverstärker 12 zusammengesetzt, der ein Ausgangssignal aus dem Differentialverstärker 11 empfängt.
Wie in 3 gezeigt, enthält die Generatorschaltung 8 für die Komponente dritter Ordnung eine Stromspiegelschaltung 14, die einen p-Kanal MOS Feld Effekt Transistor Tr0 enthält, dessen Sourceelektrode mit einem positiven Versorgungspol V_DD und dessen Gate und Drainelektrode gemeinsam über eine Konstantstromquelle 13 mit Erde verbunden sind, und vier p-Kanal MOS Feld Effekt Transistoren Tr1–Tr4, deren Gateelektroden mit der Gateelektrode des Feld Effekt Transistors Tr0 verbunden sind und die die gleiche Größe wie der Transistor Tr0 haben; vier Differentialverstärker 15A–15D, die erste vier Verstärker bilden, von denen jeder von der Stromspiegelschaltung 14 mit einem konstanten Strom versorgt ist; Widerstände 16A und 16B mit dem gleichen Widerstandswert und von denen jeder als ein Addierer funktioniert, der die Ausgangsspannungen der Differentialverstärker 15A–15D addiert; und eine Festpegelgeneratorschaltung 17, die eine Festspannungsgeneratorschaltung enthält, die feste Bezugsspannungen V_REFL, V_REFM und V_REFH mit unterschiedlichem Pegel zu den jeweiligen Differentialverstärkern 15A–15D liefert.
Der Differentialverstärker 15A enthält p-Kanal MOS Feld Effekt Transistoren TrA₁ und TrA₂, die über Widerstände RA₁ und RA₂ in Reihe an der Drainelek trode des Feld Effekt Transistors Tr1 der Stromspiegelschaltung 14 liegen. Ein Eingangssignal IN wird der Gateelektrode des Transistors TrA₁ zugeführt, und die feste Bezugsspannung V_REFL wird von der Festpegelgeneratorschaltung 17 der Gateelektrode des Transistors TrA₂ zugeführt. Die Drainelektrode des Transistors TrA₁ ist über den Widerstand 16A geerdet, der den Addierer bildet, wohingegen die Drainelektrode des Transistors TrA₂ über den anderen Widerstand 16D geerdet ist, der den anderen Addierer bildet.
Ähnlich enthält der Differentialverstärker 15B p-Kanal MOS Feld Effekt Transitoren TrB₁ und TrB₂, die über Widerstände RB₁ und RB₂ in Reihe an der Drainelektrode des Feldtransistors Tr2 der Stromspiegelschaltung 14 liegen. Ein Eingangssignal V_IN wird der Gateelektrode des Transistors TrB₁ zugeführt und die feste Bezugsspannung V_REFM wird von der Festpegelgeneratorschaltung 17 der Gateelektrode des Transistors TrB₂ zugeführt. Anders als im Fall des Differentialverstärkers 15A ist die Drainelektrode des Transistors TrB₁ über den Widerstand 16B geerdet, der den Addierer bildet, wohingegen die Drainelektrode des Transistors TrB₂ über den anderen Widerstand 16A geerdet ist, der den anderen Addierer bildet. Die invertierte Ausgangscharakteristik des Differentialverstärkers 15B wird beispielsweise umgekehrt zu der der Differentialverstärker 15A, 15C und 15D eingestellt.
Wie der Differentialverstärker 15A enthält der Differentialverstärker 15C p-Kanal MOS Feld Effekt Transistoren TrC₁ und TrC₂, die über Widerstände RC₁ und RC₂ in Reihe mit der Drainelektrode des Feld Effekt Transistors Tr3 der Stromspiegelschaltung 14 verbunden sind. Ein Eingangssignal V_IN wird der Gateelektrode des Transistors TrC₁ zugeführt und die feste Bezugsspannung V_REFH wird von der Festpegelgeneratorschaltung 17 der Gateelektrode des Transistors TrC₂ zugeführt. Die Drainelektrode des Transistors TrC₁ wird über den Widerstand 16A geerdet, der den Addierer darstellt, wohingegen die Drainelektrode des Transistors TrC₂ über den anderen Widerstand 16B geerdet ist, der den anderen Addierer bildet.
Wie die Differentialverstärker 15A und 15C enthält der Differentialverstärker 15D p-Kanal MOS Feld Effekt Transistoren TrD1 und TrD₂, die über Widerstände RD₁ und RD₂ in Reihe mit der Drainelektrode des Feld Effekt Transistors Tr4 der Stromspiegelschaltung 14 verbunden sind. Ein Eingangssignal V_IN wird der Gateelektrode des Transistors TrD₁ zugeführt und die feste Bezugsspannung V_REFM wird von der Festpegelgeneratorschaltung 17 der Gateelektrode des Transistors TrD₂ zugeführt. Anders als bei den Differentialverstärkern 15A–15C ist die Drainelektrode des Transistors TrD₂ über den Widerstand 16B geerdet, der den Addierer bildet, wohingegen die Drainelektrode des Transistors TrD₂ über den anderen Widerstand 16A geerdet ist, der den anderen Addierer bildet.
Ein nichtinvertierter Ausgangsanschluß t_P ist mit dem Knotenpunkt des Widerstandes 16A der den Addierer bildet, und der Feld Effekt Transistoren TrA₁ TrB₂, TrC₁ und TrD₁ verbunden. Ähnlich ist ein invertierter Ausgangsanschluß t_N mit dem Knotenpunkt des Widerstandes 16 und der Feld Effekt Transistoren TrA₂, TrB₁, TrC₂ und TrD₂ verbunden.
Die jeweiligen Pegel der festen Bezugsspannungen VREFH – VREFL, die von der Festpegelgeneratorschaltung 17 erzeugt sind und den jeweiligen Differentialverstärkern 15A–15C zugeführt werden, sind derart eingestellt, daß V_REFL < V_REFM < V_REFH, so daß der Differentialverstärker 15D mit der gleichen festen Bezugsspannung V_REFM versorgt wird, wie sie dem Differentialverstärker 15B zugeführt wird.
Wie in 2 gezeigt, werden das nichtinvertierte und das invertierte Ausgangssignal P_OUT und N_OUT aus der Generatorschaltung 8 für die Komponente dritter Ordnung über die Pufferschaltungen 9 und 10 dem nichtinvertierten und invertierten Eingang eines Differentialverstärkers 1 zugeführt. Ein Ausgangssignal des Differentialverstärkers 11 wird einem invertierendem Eingang eines Differentialverstärkers 11b über einen veränderbaren Widerstand 12a in einer nega tiven Rückkopplungsschaltung zugeführt, die einen Teil eines Regelverstärkers 12 bildet. Jegliche Offsetspannung V_OFF wird von einer Konstantspannungsgeneratorschaltung 18 den normalen Eingängen des Operationsverstärkers 12b und des Differentialverstärkers 11 zugeführt. Der Operationsverstärker 12b liefert somit ein Ausgangssignal VA_OUT, das nur eine von einer Komponente erster Ordnung freie Komponente dritter Ordnung und eine konstante Komponente enthält und gegeben ist durch: VAOUT = b3(VIN – V0)3 + VOFF (5),wobei V₀ = V_REFM – V₀' und die Variable b₃ durch die Verstärkungen der Generatorschaltung 8 der Komponente dritter Ordnung und des Regelverstärkers 12 bestimmt sind.
Wie in 4 dargestellt, enthält die Konstantspannungsgeneratorschaltung 18 einen Operationsverstärker 30, einen Bipolartransistor Q₁, dessen Kollektor und Basis zusammen über einen Widerstand 31 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 30 verbunden sind und dessen Emitter mit einem negativen Ausgangsanschluß t_N des Operationsverstärkers 30 verbunden ist, um eine Diodenverbindung zu bilden, und einen Biopolartransistor Q₂, dessen Kollektor und Basis gemeinsam über Widerstände 32 und 33 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 30 verbunden sind. Ein Knotenpunkt der Widerstände 32 und 33 ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 30 verbunden. Ein Knotenpunkt des Widerstandes 31 und Transistors Q₁ ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 30 über einen positiven Ausgangsanschluß t_P verbunden, der mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 30 verbunden ist und dadurch eine Bandlückenbezugsspannungsschaltung bildet.
In dieser Bandlückenbezugsspannungsschaltung ist ein Spannungsdifferential bzw. eine Spannungsdifferenz ΔV_BE zwischen den Basis-Emitterspannungen der Transistoren Q₂ und Q₁, über den Widerstand 33 anliegend, gegeben durch: ΔVBE = VTIn{(I1/I2)(IS2/IS1)} = VTIn{(R1/R2)(IS2/IS1)} (6),wobei V_T eine thermische Spannung ist, I₁ der Wert des durch den Widerstand 31 fließenden Stromes ist, I₂ der Wert des durch den Widerstand 32 fließenden Stromes ist, I_S1 eine Konstante ist, die eine Transmissionscharakteristik einer vorderen aktiven Fläche des Transistors Q₁ darstellt, I_S2 eine Konstante ist, die eine Transmissionscharakteristik einer vorderen aktiven Fläche des Widerstandes Q₂ darstellt, R₁ der Widerstandswert des Widerstandes 31 ist und R₂ der Widerstandswert des Widerstandes 32 ist.
Da durch den Widerstand 33 der gleiche Strom wie durch den Widerstand 32 fließt, ist der Spannungsabfall V_R2 über den Widerstand 32 gegeben durch: VR2 = (R2/R3) ΔVBE = (R2/R3) VtIn{R2/R1)(IS2/IS1)} (7).
Wie aus dem Ausdruck 7 offensichtlich, sind die Ströme I₁ und I₂ zusammen proportional zur Temperatur, wenn die Temperaturkoeffizienten der Widerstände Null sind, so daß die Ausgangsspannung V_OUT über die Ausgangsanschlüsse t_P und t_N gegeben ist: VOUT = VBE1 + (R2/R3) VTIn{(R2/R1)(IS2/IS1)} = VBE1 + KVT (8),wobei V_BE1 die Basis-Emitterspannung des Transistors Q₁ ist und K eine Konstante ist.
Da die Basis-Emitterspannung des Transistors Q₁, die eine temperaturabhängige Eigenschaft hat, und KV_T, die eine invertierte Eigenschaft hat, addiert werden, ist somit der Wert der Konstanten K durch die Verhältnisse (R₂/R₁), R₂/R₃) und I_S2/I_S1) gegeben, um unabhängig von einer Temperaturänderung eine konstante Spannung zu erzeugen.
Da der Unterschied ΔV_BE zwischen den Basis-Emitterspannungen V_BE der Transistoren Q₂ und Q₁ der besagten Bandlückenbezugsspannungsschaltung sich linear mit der Temperatur ändert, verwendet die Temperaturerfassungsschaltung 1 die Basis-Emitterspannung ΔV_BE. Auf diese Weise wird ein erfaßter Temperaturwert ausgegeben, der einem Analogspannungswert enthält, der linear mit der Temperatur zunimmt, wie in 5 dargestellt, ohne daß ein Thermistor verwendet wird, dessen Widerstand sich linear mit der Temperatur ändert.
Wie in 6 gezeigt, enthält die Generatoreinheit 5 der Komponente erster Ordnung einen veränderbaren Widerstand VR, der über die Addiereinheit 3 und einen Eingangsanschluß t_R der festen Bezugsspannung angeschlossen ist, einen nichtinvertierenden Verstärker 20 mit einem nichtinvertierenden Eingang, der mit einem Schieber des veränderbaren Widerstands VR verbunden ist, und einem invertierenden Eingang, der über einen Widerstand R₁ mit dem Eingangsanschluß t_R der festen Bezugsspannung verbunden ist, wobei das Ausgangssignal des Verstärkers 20 auf dessen invertierenden Eingang rückgekoppelt ist und der Eingangsanschluß t_R der festen Bezugsspannung mit der festen Bezugsspannung V_REFM von der Generatorschaltung 8 der Komponente dritter Ordnung versorgt wird.
Entsprechend der Generatoreinheit 5 der Komponente erster Ordnung verstärkt der nichtinvertierende Verstärker 20 den Unterschied zwischen dem Eingangssignal V_IN und dem Differential zwischen der festen Bezugsspannung V_REFM und der variablen Spannung V₀', um eine Ausgangsspannung VB_OUT zu erzeugen, die gegeben ist durch: VBOUT = b1(VIN – V0) + VREFM (9),wobei V₀ = V_REFM – V₀' und die Variable b1 durch einen eingestellten Wert des veränderbaren Widerstandes VR und die Verstärkung des nichtinvertierenden Verstärkers 20 bestimmt ist.
Im folgenden wird die Funktionsweise der Ausführungsform erläutert.
Zunächst wird die Funktionsweise des Funktionsgenerators 2 für die Näherungsfunktion dritter Ordnung beschrieben.
Um die Erklärung der Funktionsweise der Generatorschaltung 8 der Komponente dritter Ordnung zu vereinfachen, wird als Beispiel ein Differentialverstärker 15A beschrieben, wie er in 7 gezeigt ist. Wenn die Eingangsspannung V_IN im Vergleich zur Bezugsspannung V_REFL genügend klein ist, fließt der gesamte Strom, der durch den Transistor Tr 1 fließt, auch durch den Transistor TrA₁. Sei ein konstanter Stromwert der Stromspiegelschaltung 14 I₀. In diesem Fall wird ein Strom IA₁, der durch den Transistor TrA₁ fließt, I₀ und ein Strom IA₂, der durch den Transistor TrA₂ fließt, wird Null. Die Ausgangsspannungen P_OUT und N_OUT der Ausgangsanschlüsse t_P und t_N sind somit I₀R_R und Null, wie durch die gestrichelte und ausgezogene Linie in 8 dargestellt, wobei R_B der Widerstandswert jedes der Widerstände 16A und 16B ist.
Wenn die Ausgangsspannung VIN von diesem Zustand aus zunimmt und einen Wert VAL übersteigt, der die feste Bezugsspannung V_REFL minus einen Spannungsabfall I₀ × R_A über den Widerstand RA₁ darstellt, nimmt die Ausgangsspannung P_OUT allmählich gleichmäßig ab. Wenn dagegen die Ausgangsspannung N_OUT allmählich gleichmäßig zunimmt und die Eingangsspannung V_IN die feste Bezugsspannung V_REFL erreicht, wird die Ausgangsspannung P_OUT = N_OUT Wenn die Ausgangsspannung V_IN weiter zunimmt, behält die Ausgangsspannung P_OUT ihre abnehmende Tendenz und die Ausgangsspannung N_OUT behält ihre zunehmende Tendenz. Wenn die Eingangsspannung V_IN einen Wert V_AH übersteigt, der die Summe der festen Bezugsspannung V_REFL und des Spannungsabfalls I₀ × R_A über den Widerstand RA₂ enthält, wird die Ausgangsspannung P_OUT Null, wohingegen umgekehrt die Ausgangsspannung N_OUT zu I₀ × R_B wird.
In den Ausgangskurven der 8 sind die weichen Ausgangsänderungen in der Nähe von V_REFL ± I₀R_A nur durch die Widerstandswerte R_A der Widerstände RA₁ und RA₂ und den Konstantstromwert I₀ der Stromspiegelschaltung 12 bestimmt, je nach den Charakteristika der Transistoren.
Im folgenden wird eine Schaltung gemäß 9 erläutert, die erhalten wird, in dem der vierte Differentialverstärker 15D aus der Generatorschaltung 8 der Komponente dritter Ordnung gemäß 3 eliminiert wird. Wenn die Eingangsspannung V_IN im Vergleich zu der festen Bezugsspannung V_REFL (V_IN << V_REFH), ist, fließt der gesamte Strom, der durch den Transistor Tr1 in dem Differentialverstärker 15A fließt, durch den Transistor TrA₁ wie oben erwähnt. Als Ergebnis ist I_A1 = I₀ und I_A2 = 0. Ähnlich gilt in den Differentialverstärkern 15B und 15C ebenfalls: I_B1 = I_C1 = I₀ und I_B2 = I_C2 = 0. Die Ströme I_P und I_N, die durch die Widerstände 16A und 16B fließen, die die jeweiligen Addierer bilden, werden zu I_P = 2I₀ und I_P = I₀.
Wenn die Eingangsspannung V_IN zunimmt, beginnt ein Strom durch den Transistor TrA₂ zu fließen, wohingegen der Strom, der durch den Transistor TrA₁ fließt, abzunehmen beginnt, bis die Eingangsspannung V_IN die feste Bezugsspannung V_REFL erreicht, zu welcher Zeit gilt: I_A1 = I_A2 = I₀/2. Keine anderen Differentialverstärker 15B und 15C ändern ihre Zustände, so daß die Ausgangsströme I_N und I_P zu I_N = I_P = 3I₀/2 werden. Wenn die Eingangsspannung V_IN weiter zunimmt, gilt: I_A1 = 0 und I_A2 = I₀. Auf diese Weise werden die Ausgangsströme I_P und I_N zu I_P = I₀ und I_N = 2I₀.
Wenn die Eingangsspannung IN weiter zunimmt, beginnt ein Strom durch den Transistor TrB₂ des Differentialverstärkers 15B zu fließen und der durch den Transistor TrB₁ fließende Strom beginnt abzunehmen, bis die Eingangsspannung V_IN die feste Bezugsspannung V_REFM erreicht, zu welchem Zeitpunkt gilt I_B1 = I_B2 = I₀/2, und die Ausgangsströme I_P und I_N werden wiederum zu I_N = I_P = 3I₀/2.
Wenn die Eingangsspannung V_IN weiter geeignet zunimmt, gilt I_P = I₀ und I_N = 2I₀. Wenn die Eingangsspannung V_IN dann die feste Bezugsspannung V_REFH erreicht, werden die Ausgangsspannung I_P und I_N wiederum zu I_P = I_N = 3I₀/2. Wenn die Eingangsspannung V_IN weiter geeignet zunimmt, gilt: I_P = 2I₀ und I_N = I₀.
Bezüglich der Seite des invertierenden Anschlusses t_N beispielsweise bleibt somit der Ausgangsstrom I_A2 des ersten Differentialverstärkers 15A, wie durch die strichpunktierte Linie in 10 gezeigt, auf Null bis die Eingangssignalspannung V_IN einen minimalen Wert V_AL in dem ersten Differentialverstärker 15A erreicht. Wenn die Eingangssignalspannung V_IN den minimalen Wert V_AL übersteigt, beginnt der Ausgangsstrom I_A2 des ersten Differentialverstärkers 15A zuzunehmen, bis die Eingangssignalspannung die feste Bezugsspannung V_REFL erreicht, zu welchem Zeitpunkt der Ausgangsstrom zu I₀/2 wird. Danach nimmt der Ausgangsstrom, abhängig von der Zunahme der Spannung des Eingangssignals V_IN, zu, bis er I₀ bei dem maximalen Wert V_AH der Eingangssignalspannung erreicht, um gesättigt zu werden.
Der Ausgangsstrom I_B1 des zweiten Differentialverstärkers 15B, wie durch die gestrichelten Linien in 10 dargestellt, bleibt auf I₀, bis die Spannung des Eingangssignals V_IN den minimalen Wert V_BL (in der vorliegenden Ausfüh rungsform auf einen Wert gleich V_AH eingestellt) in dem zweiten Differentialverstärker 15B erreicht. Wenn die Spannung des Eingangssignals V_IN den minimalen Wert V_BL übersteigt, nimmt der Ausgangsstrom I_A1 von dem zweiten Differentialverstärker 15B ab entsprechend der Zunahme der Spannung des Eingangssignals V_IN, bis die Spannung des Eingangssignals V_IN die feste Bezugsspannung V_REFM erreicht, zu welchem Zeitpunkt der Ausgangsstrom I_A1 zu I₀/2 wird. Danach nimmt der Ausgangsstrom I_A1 entsprechend der Zunahme der Spannung des Eingangssignals V_IN ab und bleibt Null wenn die Spannungseingangssignals V_IN den maximalen Wert V_BH übersteigt.
Der Ausgangsstrom I_C2 des dritten Differentialverstärkers 15C, wie durch die strichpunktierte Linien 10 gezeigt, bleibt auf Null bis die Spannung der Eingangssignalspannung V_IN einen minimalen Wert V_CL in dem dritten Differentialverstärker 15C (der in der speziellen Ausführungsform auf einen Wert gleich V_BH eingestellt ist) erreicht. Wenn die Eingangssignalspannung V_IN den minimalen Wert V_CL übersteigt, beginnt der Ausgangsstrom I_C2 des ersten Differentialverstärkers 15D zuzunehmen, bis die Eingangssignalspannung die feste Bezugsspannung V_REFH erreicht, zu welchem Zeitpunkt der Ausgangsstrom zu I₀/2 wird. Danach nimmt der Ausgangsstrom in Abhängigkeit von der Zunahme der Spannung des Eingangssignals V_IN zu bis er die Null entsprechend einem maximalen Wert V_CH der Eingangssignalspannung erreicht, um gesättigt zu werden.
Somit werden die Ausgangsspannung P_OUT und N_OUT an den Ausgangsanschlüssen t_P und t_N durch die Widerstände 16A und 16B und die durch diese Widerstände fließenden Ströme I_P und I_N dargestellt als P_OUT = I_P × R_B und N_OUT = I_N × R_B. Durch Einstellen des Schaltungskonstanten kann eine gleichmäßige Kurve dritter Ordnung erhalten werden, wie durch eine gestrichelte Linie L₁ in 11 dargestellt.
Die Kennlinie L₁ der 11 enthält die Summe der Funktion dritter Ordnung und einer linearen Funktion mit einer negativen Steigung, die nicht nur die Komponente dritter Ordnung des ersten Terms des Ausdruckes (2) darstellt.
In der vorliegenden Ausführung ist deshalb der vierte Differentialverstärker 15D zusätzlich vorgesehen, um eine lineare Funktion mit einer positiven Steigung zu erzeugen, die die lineare Funktion mit der negativen Steigung ausgleicht.
Der vierte Differentialverstärker 15D hat einen Aufbau ähnlich dem ersten und dritten Differentialverstärker 15A und 15C, so daß in seiner Eingangs-Ausgangscharakteristik gemäß 12 die Steigung eines der linearen Funktion angenäherten Bereiches vermindert wird, indem die Widerstandswerte der Widerstände RD₁ und RD₂ vergrößert werden, und daß der Abstand zwischen dem minimalen Wert V_DL und dem maximalen Wert V_DH und daher der der linearen Funktion angenäherte Bereich vergrößert sind. Durch Zunahme der Werte der Ströme, die den Widerständen RD₁ und RD₂ zugeführt werden, kann der der linearen Funktion angenäherte Bereich vergrößert werden.
Durch Einstellen der Widerstandswerte R_D der Widerstände R_D1 und R_D2 des vierten Differentialverstärkers 15D und der Werte der den Widerständen R_D1 und R_D2 zugeführten Ströme zur Veränderung der Eingangs-Ausgangscharakteristik des Verstärkers 15D derart, daß der minimale Wert V_DL und der maximale Wert V_DH mit dem minimalen Wert V_AL des ersten Differentialverstärkers 15A und dem maximalen Wert V_CH des dritten Differentialverstärkers 15C zusammenfallen, wie durch die doppelt gepunktete und gestrichelte 10 dargestellt, wird somit eine Eingangs-Ausgangscharakteristik erreicht, die durch eine angenähert lineare Kennlinie bzw. Kurve L₂ dargestellt ist, wie in 11 durch eine strichpunktierte Linie gezeigt. Durch Addieren der Kennlinie L₂ zu der Kennlinie L₁ wird nur eine Komponente dritter Ordnung erreicht, die frei von der linearen Funktionskomponente ist, wie durch die ausgezogene Kennlinie L₃ wie in 11 dargestellt.
Durch Zuführen des nichtinvertierten Ausgangssignals P_OUT und des invertierten Ausgangssignals N_OUT der Generatorschaltung 8 der Komponente dritter Ordnung über die Pufferschaltungen 9 und 10 zu dem Differentialverstärker 11, der wiederum sein Ausgangssignal dem Regelverstärker 12 zuführt, und durch Zuführen einer Offsetspannung V_OFF aus der Konstantspannungsschaltung 18 zu den nichtinvertierenden Eingängen des Differentialverstärkers 11 und des Regelverstärkers 12 wird eine Ausgangsspannung VA_OUT aus dem Regelverstärker 12 erhalten, die nur die Komponente dritter Ordnung und die konstante Komponente frei von der Komponente erster Ordnung enthält, wie durch den Ausdruck (5) dargestellt.
Die Generatoreinheit 5 für die Komponente erster Ordnung erzeugt eine Ausgangsspannung VB_OUT, die nur die Komponente erster Ordnung und die konstante Komponente enthält, wie durch den Ausdruck (6) gegeben. Durch Addieren der Ausgangsspannung VB_OUT zu der Ausgangsspannung VA_OUT der Generatoreinheit 4 für die Komponente dritter Ordnung in der Addierschaltung 7 wird somit eine Näherungsfunktion dritter Ordnung erzeugt, die gegeben ist durch: VOUT = b3'(VIN – V0)3 + b1'(VIN – V0) + b0' (10). wobei V₀ durch Einstellen der veränderbaren Spannung V₀' auf jedwelchem Wert eingestellt werden kann. Die Variable b₃' der Komponente dritter Ordnung ist mit Nachbildung einstellbar, in dem die Verstärkungen der Generatorschaltung 8 der Komponente dritter Ordnung und des Regelverstärkers 12, wie oben beschrieben, eingestellt werden. Die Variable b₁' der Komponente erster Ordnung ist durch Einstellen des Widerstandswertes des veränderbaren Widerstands VR und die Verstärkung des nichtinvertierenden Verstärkers 20 der Generatoreinheit 5 für die Komponente erster Ordnung einstellbar. Eine Konstante b₀' ist durch eine Offsetspannung V_OFF einstellbar, die in der Konstantspannungsschaltung 18 eingestellt ist. Die jeweiligen Variablen sind unabhängig voneinander einstellbar, um jedwelche Funktion dritter Ordnung zu erzeugen, wie in 13 dargestellt.
Die Stromspiegelschaltung 10 und die Differentialverstärker 15A–15D der Generatorschaltung 8 für die Komponente dritter Ordnung können alle aus CMOS-Transistoren zusammengesetzt sein, um dadurch eine höhere Integration und eine niedrigere Leistungsaufnahme zu erreichen.
Durch Anwenden der Erfindung auf den temperaturkompensierten Kristalloszillator, wie in der vorliegenden Ausführungsform, hat der in der spannungsgesteuerten Kristalloszillatorschaltung 3 enthaltene Kristallresonator eine allgemeine Schwingungsfrequenz-Temperaturcharakteristik, wie in 14 dargestellt, wo die waagrechte Achse die Temperatur (°C) und die senkrechte Achse die Frequenz (ppm) angibt. Die Temperaturkennlinie wird angenähert durch Y = α × (t – t0)3 + β × (t –t0) + γ (11),wobei Y die Ausgangsfrequenz ist, α der Koeffizient dritter Ordnung ist, β eine Steigung der Temperaturkennlinie ist, γ ein Frequenzoffset ist, t eine Atmosphärentemperatur beziehungsweise Außentemperatur ist und t₀ die Temperatur in der Mitte der Kurve Y ist (normalerweise in einem Bereich von 25–30°C).
Die Koeffizienten und Konstanten α, β und γ im Ausdruck 11 hängen von den Eigenschaften des Kristallresonators und der spannungsgesteuerten Kristalloszillatorschaltung 8 ab, besonders stark von dem Kristallresonator und genauer von seiner Gestalt und Größe.
Die Spannungs- Frequenzcharakteristik der spannungsgesteuerten Kristalloszillatorschaltung 8, wie er derzeit weit verbreitet verwendet wird, kann durch eine lineare Funktion angenähert werden, so daß die Temperaturfrequenzcha rakteristik des Kristallresonators durch seine Temperatur- Spannungscharakteristik verwirklicht bzw. gegeben ist.
Somit werden bei der Ausführungsform gemäß 1 Spannungen, die dem ersten, zweiten, dritten Term der rechten Seite des Ausdrucks 11 entsprechen, von dem Funktionsgenerator 2 für die Näherungsfunktion dritter Ordnung erzeugt auf Basis eines von der Temperaturerfassungsschaltung 1 erfaßten Temperatursignals; wo mögliche Abweichungen der Werte für den Koeffizienten α dritter Ordnung, der Steigung β der Temperaturkennlinie und des Frequenz-Offsets γ des Generators 2 von ihren Standardwerten sind, werden diese jeweils fein eingestellt, indem die Verstärkung der Generatorschaltung 8 für die Komponente dritter Ordnung und/oder die Verstärkung des Regelverstärkers 12 und die Ausgangsspannung V_OFF der Konstantspannungsschaltung 18 der Generatoreinheit 4 der Komponente dritter Ordnung und/oder die Widerstandswerte des veränderbaren Widerstandes VR und/oder die Verstärkung des nichtinvertierten Verstärkers 20 der Generatorschaltung 5 der Komponente erster Ordnung eingestellt werden; die jeweiligen nach den Feineinstellungen erhaltenen Spannungen werden in der Addierschaltung 7 addiert, um eine Steuerspannung für die spannungsgesteuerte Kristalloszillatorschaltung zu erhalten, die der Temperatur-Frequenzcharakteristik des Kristallresonators der 14 entspricht; die Steuerspannung wird dann der spannungsgesteuerten Kristalloszillatorschaltung 8 zugeführt, um die Temperatur abhängig von Eigenschaften des in der Oszillatorschaltung 8 enthaltenen Kristalloszillators zu kompensieren.
Genauer sind der Funktionsgenerator 2 für die Näherungsfunktion dritter Ordnung und der spannungsgesteuerte Kristalloszillator (VCXO) 100 gem. 2 getrennt innerhalb jeweiliger Tanks beziehungsweise Behälter mit konstanter Temperatur angeordnet, deren Temperaturen auf irgendeine jeweilige spezielle Temperatur in einem Bereich von Temperaturen eingestellt werden, für den die Temperaturkompensation erwünscht wird.
In einem Zustand, in dem die Tanktemperaturen auf ihre eingestellten Temperaturen stabilisiert sind, wird die Eingangsspannung V_Cin des spannungsgesteuerten Oszillators 100 verändert, so daß die Eingangsspannung V_Cin1, bei der die Frequenz des Ausgangssignals mit der voreingestellten Frequenz zusammenfällt, gemessen wird, und die Ausgangsspannungen V_Cout1 der Temperaturkompensationsschaltung, die die Temperaturerfassungsschaltung 1 und des Funktionsgenerators 2 für eine Funktion dritter Ordnung umfaßt, gemessen werden.
Die vorstehenden Messungen werden zweimal oder mehrmals wiederholt, vorzugsweise viermal oder mehrmals, indem die eingestellten Temperaturen der Tanks sequentiell auf unterschiedliche höhere Temperaturen angehoben werden, so daß die Eingangsspannungen V_Cin1 – V_CinN des spannungsgesteuerten Oszillators 100 und die Ausgangsspannung V_CountN des Funktionsgenerators 2 dritter Ordnung an den jeweils eingestellten Temperaturen erhalten werden.
Dann werden die jeweiligen gemessenen Eingangsspannungen V_Cin1 – V_CinN und die Ausgangsspannungen V_Cout1 – V_CinN jeweils als Funktionen der Temperatur angenähert durch: VCin(T) = α3(T – T0)3 + α1(T – T0) + α0 (12) VCout(T) = β3(T – T0')3 + β1(T – T0') + β0 (13)wobei α₃, α₁ und α₀ des Ausdrucks 12 den Größen α, β und γ des Ausdrucks 11 entsprechen und von dem betroffenen Kristallresonator abhängen.
Durch Einstellen von β₃, β₁, β₀ und T₀' in dem Funktionsgenerator 2 für eine Näherungsfunktion dritter Ordnung auf β₃ = α₃, β₁ = α₁, β₀ = α₀ und T₀' = T₀, wird durch nur einen einzigen Temperaturabtastvorgang eine hochgenaue Temperaturkompensation erzielt.
Der Funktionsgenerator 2 für die Näherungsfunktion dritter Ordnung wird, genauer ausgeführt, wie folgt eingestellt: Die zentrale beziehungsweise mittlere Temperatur T₀' der Funktionskurve dritter Ordnung des Ausdrucks 13 wird durch die veränderbare Spannung von V₀' eingestellt, die der Addierschaltung 3 der 1 zugeführt wird. Die Konstante β₀ wird durch eine Offsetspannung V_OFF eingestellt, die von der Konstantspannungsgeneratorschaltung 18 der 2 ausgegeben wird. Der Koeffizient β₁ erster Ordnung wird mit dem veränderbaren Widerstand VR der Generatoreinheit 5 der 6 für die Komponente erster Ordnung eingestellt. Der Koeffizient β₃ dritter Ordnung wird durch den veränderbaren Widerstand 12a des Regelverstärkers 12 der 2 in der Generatoreinheit 4 für die Komponente dritter Ordnung und die konstante Komponente eingestellt.
Durch Anheben der Tanktemperaturen sequentiell auf vier oder mehr verschiedene Temperaturen werden die Ausgangsspannung der Temperaturkompensatorenschaltung, das heißt die Ausgangsspannung V_Cout des Funktionsgenerators 2 für die Näherungsfunktion dritter Ordnung und die Ausgangsspannung V_Cin der spannungsgesteuerten Kristalloszillatorschaltung 100. jeweils bei den jeweiligen Temperaturen gemessen und auf Basis der Ergebnisse dieser Messungen wird der Funktionsgenerator 2 für die Näherungsfunktion dritter Ordnung eingestellt. Das heißt, durch einen einzigen Temperaturabtastvorgang wird eine hochgenaue Temperaturkompensation erreicht.
Entsprechend der Ausführungsform sind die Temperaturfassungsschaltung 1 und der Funktionsgenerator 2 für die Näherungsfunktion dritter Ordnung durch eine Bandlückenbezugsspannungsschaltung gebildet, die einen Analogschaltungsaufbau unter Verwendung von Bipolartransistoren hat, und die Generatorschaltung 2 für eine Näherungskurve dritter Ordnung wird durch eine Analogschaltung gebildet, die die Stromspiegelschaltung 14, Differentialverstärker 15A–15D und Widerstände 16A und 16B aufweist, und daher sind alle Komponenten mit Ausnahme des Kristallresonators integriert.
In der Ausführungsform wurde die Generatoreinheit 4 für die Komponente dritter Ordnung unter Verwendung von p-Kanal MOS Feld Effekt Transistoren erläutert; die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen speziellen Fall beschränkt. Beispielsweise kann die Generatorschaltung 8 für die Komponente dritter Ordnung n-Kanal MOS Feld Effekt Transistoren oder andere bipolare Transistoren anstelle der Feld Effekt Transistoren verwenden und vorteilhafte Wirkungen ähnlich den oben erläuterten hervorbringen.
Die Generatorschaltung 4 für die Komponente dritter Ordnung und die konstante Komponente wurde in der beschriebenen Ausführungsform als die Komponente dritter Ordnung und die konstante Komponente erzeugend erläutert; die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen speziellen Fall beschränkt. Beispielsweise kann die Anordnung derart sein, daß die Konstantspannungsgeneratorschaltung 18 aus der Generatoreinheit 4 für die Komponente dritter Ordnung und die konstante Komponente entfernt wird und nur die Komponente dritter Ordnung ausgegeben wird. Das Ausgangssignal der Konstantspannungsgeneratorschaltung 18 wird einer Konstantkomponenten-Generatoreinheit zugeführt mit einem Aufbau ähnlich dem der Generatoreinheit 5 der 6 für die Komponente erster Ordnung; die Ausgangsspannung der Konstantkomponenten-Generatoreinheit, das Ausgangssignal der Generatorschaltung für die Komponente dritter Ordnung und das Ausgangssignal der Generatoreinheit 5 für die Komponente erster Ordnung werden in der Addierschaltung 7 addiert; das resultierende Signal wird dann dem spannungsgesteuerten Kristalloszillator 8 zugeführt.
In der Ausführungsform wurde die spannungsgesteuerte Kristalloszillatorschaltung 8 beschrieben, die den Kristallresonator und den C-MOS Inverter in Reihe geschaltet, enthält; die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diesen speziellen Fall beschränkt. Beispielsweise können der Kristallresonator und der C-MOS Inverter parallel zu einander geschaltet sein, um eine spannungsgesteu
erte Kristalloszillatorschaltung zu bilden. Alternativ kann eine spannungsgesteuerte Kristalloszillatorschaltung verwendet werden, die Transistoren an Stelle des C-MOS-Inverters enthält.
Der Schaltungsaufbau der Generatorschaltung 8 für die Komponente dritter Ordnung und andere in der geschilderten Ausführungsform können ein Strombezugssystem an Stelle der Bezugsspannung verwenden und können weiter ein Erde- beziehungsweise Massebezugssystem unter Verwendung von n-Kanal MOSFETs verwenden anstelle der V_DD Bezugsspannung unter Verwendung der p-Kanal MOSFETs.

Claims

Generatorschaltung (8) zur Bereitstellung einer Funktionskomponente dritter Ordnung enthaltend: einen ersten Verstärker (15A), einen zweiten Verstärker (15B) und einen dritten Verstärker (15C), von denen jeder ein gemeinsames Eingangssignal und ein unterschiedliches Festpegelsignal (V_REFL; V_REFM; V_REFH) empfängt, wobei die drei von dem jeweiligen ersten, zweiten und dritten Verstärker (15A, 15B, 15C) empfangenen unterschiedlichen Festpegelsignale in dieser Reihenfolge sequentiell im Pegel zunehmen, jeder Verstärker (15A, 15B, 15C) eine Eingangs-Ausgangscharakteristik hat, bei der ein nichtinvertiertes oder invertiertes Ausgangssignal auf Basis des gemeinsamen Eingangssignals und des betroffenen Festpegelsignals erzeugt wird, der Verstärker auch eine Funktion hat, das Ausgangssignal innerhalb eines durch einen maximalen vorbestimmten Wert und einen minimalen vorbestimmten Wert definierten Bereiches zu begrenzen; gekennzeichnet durch einen vierten Verstärker (15D), der das gemeinsame Eingangssignal und das gleiche Festpegelsignal wie der zweite Verstärker (15B) empfängt, wobei der vierte Verstärker (15D) eine Eingangs-Ausgangscharakteristik hat, bei der ein nichtinvertiertes oder invertiertes Ausgangssignal auf Basis des gemeinsamen Eingangssignals und des betroffenen Festpegelsignals erzeugt wird, und eine Funktion hat, das Ausgangssignal innerhalb eines durch einen maximalen vorbestimmten Wert und einen minimalen vorbestimmten Wert definierten Bereiches zu begrenzen; und eine Festpegelgeneratorschaltung (17) zum Liefern der Festpegelsignale (V_REFL; V_REFM; V_REFH) mit den unterschiedlichen Festpegeln an den ersten, zweiten, dritten und vierten Verstärker (15A–15D), wobei die Ausgangscharakteristika des ersten, dritten und vierten Verstärkers derart eingestellt sind, daß sie die gleiche Polarität haben, die Ausgangscharakteristik des zweiten Verstärkers (15B) derart eingestellt ist, daß sie zu der des ersten, dritten und vierten Verstärkers invertiert ist, wobei die Ausgangssignale des ersten, zweiten, dritten und vierten Verstärkers addiert werden, um eine Funktionskomponente dritter Ordnung bereitzustellen, die frei von einer Funktionskomponente erster Ordnung ist.
Generatorschaltung (8) nach Anspruch 1, wobei der vierte Verstärker (15D) eine Ausgangscharakteristik hat, die bezüglich der Steigung invertiert zu der invertierten Ausgangscharakteristik des zweiten Verstärkers (15B) ist, und der Abstand zwischen dem maximalen und dem minimalen Wert des Ausgangssignals derart eingestellt ist, daß er größer als der des zweiten Verstärkers (15B) ist.
Generatorschaltung (8) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die vier Verstärker (15A–15D) jeweils einen Differentialverstärker mit einem Paar MOS Feld Effekt Transistoren TrA₁, TrA₂–TrD₁, TrD₂ enthalten.
Funktionsgenerator (2) für eine Näherungsfunktion dritter Ordnung, enthaltend: eine Generatoreinheit (4) für eine Funktionskomponente dritter Ordnung, die eine Generatorschaltung (8) mit dem Aufbau gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, versorgt mit einer addierten Eingangsspannung als eine Eingangsspannung erster Ordnung, die die Summe eines Eingangsspannungssignals V_IN erster Ordnung und eines veränderbaren Spannungssignals V₀' enthält, und einen Regelverstärker (12) enthält, der eine verstärkte Version des Differentials zwischen dem nichtinvertierten P_OUT und dem invertierten Ausgangssignal N_OUT aus der Generatorschaltung (8) mit der Funktionskomponente dritter Ordnung empfängt; eine Generatoreinheit (5) zur Bereitstellung einer Funktionskomponente erster Ordnung zum Empfangen der eingegebenen addierten Eingangsspannung V_S und zum Erzeugen einer Komponente erster Ordnung; eine Generatoreinheit (18) für eine Konstante zum Empfangen eines Konstantspannungssignals und zum Erzeugen einer konstanten Komponente; und eine Addierschaltung (7) zum Addieren von Ausgangssignalen aus der Generatoreinheit (4) für die Komponente dritter Ordnung, der Generatoreinheit (5) erster Ordnung und der Generatoreinheit (18) für die Konstante.
Temperaturkompensierte Kristalloszillatorschaltung enthaltend: eine Temperaturerfassungsschaltung (1), einen Funktionsgenerator (2) für eine Näherungsfunktion dritter Ordnung entsprechend Anspruch 4 zum Empfangen eines Erfassungssignals aus der Temperaturerfassungsschaltung (1), und eine spannungsgesteuerte Kristalloszillatorschaltung (100) zum Empfangen der von dem Funktionsgenerator (2) für die Näherungsfunktion dritter Ordnung erzeugten Näherungsfunktion dritter Ordnung.
Temperaturkompensation einstellverfahren für eine Temperatur kompensierte Kristalloszillatorschaltung nach Anspruch 5, enthaltend: die Schritte des Messens einer Ausgangsspannung V_COUT von einer Temperaturkompensationsschaltung in einer vorbestimmten Temperaturatmosphäre; Messen einer Eingangsspannung V_Cin der spannungsgesteuerten Kristalloszillatorschaltung (100), wobei die Schwingungsfrequenz, die von der spannungsgesteuerten Kristalloszillatorschaltung (100) ausgegeben wird, mit einer vorbestimmten gewählten Frequenz bei einer jeweiligen einer Mehrzahl von Temperaturen T in einem erwünschten Temperaturkompensationsbereich übereinstimmt; Darstellen der gemessenen Eingangsspannung V_Cin und Ausgangsspannung V_COUT bei der jeweiligen Temperatur durch: VCin(T) = α3(T – T0)3 + α1(T – T0) + α0 VCout(T) = β3(T – T0')3 + β1(T – T0') + β0; und Einstellen der Koeffizienten β₀, β1 β₃ und T₀' der Temperaturkompensationsschaltung derart, daß sie mit Koeffizienten α₀, α₁, α₃ und T₀ jeweils zusammen fallen, die einem Kristallresonator der spannungsgesteuerten Kristalloszillatorschaltung (100) eigen sind.