KR101454364B1 - 공통 기준 크리스탈 시스템들 - Google Patents

Abstract

통신 시스템의 하나의 실시예는 기준 클록을 출력하도록 구성된 크리스탈 발진기; 셀룰러 모듈 내에서 기준 클록을 수신하고 셀룰러 모듈의 동작 동안에 수신된 셀룰러 다운링크 신호 및 셀룰러 국부 발진기 신호 사이의 계산된 주파수 에러들을 보상하도록 구성된 셀룰러 라디오 주파수(RF) 및 기저대역 위상 고정 루프들; GPS 모듈 내에서 기준 클록을 수신하고 GPS 모듈의 동작 동안에 계산된 주파수 에러들을 보상하도록 구성된 위성 위치확인 시스템(GPS) 주파수 보상 회로; 및 복수의 감지 저항기들을 포함하고, 주파수 편차로 변환되는 기준 크리스탈의 온도에 대응하는 신호를 출력하도록 구성되는 온도 감지 회로를 포함하고, 상기 (GPS) 주파수 보상 회로는 GPS 클록 주파수 요건들을 충족시키기 위하여 주파수 편차를 오프셋하고 온도 보상된 신호를 출력하도록 구성된다.

Description

공통 기준 크리스탈 시스템들{COMMON REFERENCE CRYSTAL SYSTEMS}

본 개시 내용은 일반적으로, 공동-통합된(co-integrated) 통신 시스템들 및 스탠드얼론(standalone) 시스템들을 위한 기준 크리스탈 발진기(reference crystal oscillator)들에 관한 것이다.

최근에는, 셀룰러 통신 솔루션(solution)들이 더 낮은 비용의 미보상된 석영 압전 크리스탈 솔루션(uncompensated quartz piezoelectric crystal solution)들로 전환하였다. 그러나, 이들 저비용 (크리스탈) 셀룰러 솔루션들은 본질적으로, GPS 시스템의 엄격한 최대 주파수 슬루 레이트(slew rate) 및 최대 주파수 스텝 변화(step change) 요건들로 인해 단일 이동 플랫폼(mobile platform) 내의 셀룰러 및 GPS(Global Positioning System) 시스템들에 대해 공통적이고 이 시스템들에 의해 공유되는 저비용 (미보상된) 크리스탈 솔루션으로 전환될 수 없다. 종래 기술의 실시예들에서, GPS 시스템의 엄격한 최대 주파수 슬루 레이트 및 최대 주파수 스텝 변화 요건들은 일반적으로, GPS 시스템의 기준 발진기(reference oscillator)로서 작용하기 위한 온도-보상된-크리스탈-발진기(Temperature-Compensated-Crystal-Oscillator)(TCXO로서도 알려짐)의 포함을 필요로 한다. 이 TCXO 요건은 일반적으로, 스탠드얼론 GPS 시스템들과, 공동-통합된 GPS 및 셀룰러 시스템들에도 모두 적용된다.

본 발명은 공동-통합된(co-integrated) 통신 시스템들 및 스탠드얼론(standalone) 시스템들을 위한 기준 크리스탈 발진기(reference crystal oscillator)들을 제공하는 것을 목적으로 한다.

일 측면에 따르면, 시스템은:

주파수 소스(source)를 크리스탈 발진기에 제공하도록 구성된 미보상된 크리스탈 공진기;

대체로 반복가능하고 예측가능하며, 현재의 온도를 측정하도록 구성되는 방식으로, 그 전기 저항이 온도의 함수로서 변동되는 온도 센서;

셀룰러 모듈 및 위성 위치확인 시스템(GPS) 모듈에 대하여 기준 클록 주파수 신호를 출력하도록 구성된 크리스탈 발진기;

상기 셀룰러 모듈 내의 상기 크리스탈 발진기의 기준 클록 신호를 수신하고, 상기 셀룰러 모듈의 동작 동안에 셀룰러 수신된 다운링크 신호 및 셀룰러 국부 발진기(LO : local oscillator) 신호 사이의 계산된 주파수 에러를 보상하도록 구성된 프로그램가능 셀룰러 라디오 주파수(RF) 위상 고정 루프(phase locked loop);

상기 계산된 주파수 에러에 기초하여 기저대역 주파수 신호전송을 위하여 보상된 클록을 발생하도록 구성된 프로그램가능 셀룰러 기저대역 디지털 위상 고정 루프;

상기 기준 클록 주파수 신호를 수신하도록 구성된 프로그램가능 GPS RF 위상 고정 루프 및 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기로서, 추정된 주파수 에러에 대응하는 기준 클록 주파수 에러 추정 신호들을 수신할 수 있고, 출력 신호들로부터의 추정된 주파수 에러의 효과를 대체로 상쇄시키는 방식으로, 상기 GPS RF 위상 고정 루프 및 상기 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기의 출력 신호들을 보상할 수 있는, 상기 프로그램가능 GPS RF 위상 고정 루프 및 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기;

상기 온도 센서에 의해 표시된 바와 같이, 상기 현재의 온도에 대체로 비례하는 신호를 출력하도록 구성된 온도 감지 회로;

상기 온도 감지 회로의 출력 신호를 수신하고, 상기 온도 감지 회로의 상기 출력 신호를 온도 센서 저항 추정치에 맵핑하고, 상기 온도 센서 저항 추정치를 크리스탈 공진기 기준 발진기 온도 추정치로 더 변환하도록 구성된 분석적인 온도 센서 모델;

상기 분석적인 온도 센서 모델의 상기 온도 센서 저항 추정치를 수신하고, 교정된 온도-주파수 특성 곡선에 기초하고 있는 기준 발진기 주파수 편차 및 상기 크리스탈 공진기 온도 사이의 일대일(one-to-one) 맵핑을 통해 상기 온도 센서 저항 추정치를 주파수 편차 추정치로 변환하도록 구성된 분석적인 크리스탈 기준 발진기 주파수 편차 대 온도 모델을 포함하고,

상기 프로그램가능 GPS RF 위상 고정 루프, 상기 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기, 또는 이 둘의 조합은 상기 주파수 편차 추정치를 수신하고, 상기 GPS RF 위상 고정 루프 및 상기 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기의 상기 출력 신호들로부터의 상기 추정된 주파수 에러의 효과를 대체로 상쇄시키는 방식으로, 상기 출력 신호들의 주파수, 상기 출력 신호들의 위상, 또는 이 둘의 조합을 보상하도록 더 구성되어, 상기 GPS RF 위상 고정 루프, GPS 기저대역 수치 제어 발진기, 또는 이 둘의 조합이 수신된 위성 GPS 신호들을 정확하게 프로세싱하기 위하여 대체로 온도 보상되는 주파수 신호들을 출력하게 하고,

상기 온도 감지 회로는 저항기 분배기 회로, 연산 증폭기, 피드백 저항기들, 전압 오프셋 저항기들, 및 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함하고,

상기 저항기 분배기 회로는 온도 센서 저항성 소자 및 복수의 스위칭되는 감지 저항기들로 구성된다.

바람직하게는, 상기 크리스탈 발진기는 상기 셀룰러 모듈, 상기 GPS 모듈, 상기 온도 감지 회로를 위하여 자유롭게 동작한다.

바람직하게는, 상기 크리스탈 발진기는 상기 기준 클록 신호를 수신하고 상기 GPS 모듈의 동작 동안에 상기 기준 클록 신호에서 주파수 에러들을 보상하도록 구성된 디지털 제어 크리스탈 발진기(DCXO : digital controlled crystal oscillator)를 포함하고, 상기 주파수 에러들은 온도 드리프트로부터의 에러를 포함한다.

바람직하게는, 상기 온도 감지 회로는 싱글 엔드형(single ended) 구현을 통해 실현된다.

바람직하게는, 상기 온도 감지 회로는 차분(differential) 구현을 통해 실현된다.

바람직하게는, 상기 온도 센서는 미보상된 크리스탈 공진기와 통합된 써미스터(thermistor)를 포함한다.

바람직하게는, 상기 온도 감지 회로는 GPS 모듈 내에 통합된다.

바람직하게는, 상기 온도 감지 회로는 셀룰러-GPS 조합 시스템을 갖는 집적된 칩 상에 통합된다.

바람직하게는, 온도 감지 회로는 집적된 칩 상의 GPS 모듈 또는 셀룰러-GPS 조합 시스템의 외부에 있다.

바람직하게는, 온도 감지 회로는 다수의 감지 저항기들을 포함하고, 각각의 감지 저항기는 -30℃로부터 85℃까지의 서브-세트 온도 영역을 포괄하도록 설계된다.

바람직하게는, 시스템은:

크리스탈 주파수 편차 대 온도를 맞추기 위한 곡선 맞춤의 다수의 세그먼트들을 더 포함하고, 각각의 세그먼트는 전체 동작 온도 범위에서의 서브세트(subset)에 대응한다.

바람직하게는, 시스템은:

크리스탈 주파수 편차를, 온도 측정들의 서브세트에 대응하는 다항식 계수들의 다수의 세트들과 맞추도록 구성된 주파수 측정 모듈을 더 포함하고,

비-실온(non-room temperature) 다항식 계수들은 실온 다항식 계수들로부터 유도된다.

바람직하게는, 시스템은:

크리스탈 주파수 편차를, 온도 측정들의 서브세트에 대응하는 다항식 계수들의 다수의 세트들과 맞추도록 구성된 주파수 측정 모듈을 더 포함하고,

상기 다항식 계수들은 온도 종속적이다.

일 측면에 따르면, 시스템은:

주파수 소스(source)를 크리스탈 발진기에 제공하도록 구성된 미보상된 크리스탈 공진기;

대체로 반복가능하고 예측가능하며, 현재의 온도를 측정하도록 구성되는 방식으로, 그 전기 저항이 온도의 함수로서 변동되는 온도 센서;

위성 위치확인 시스템(GPS)에 대하여 기준 클록 주파수 신호를 출력하도록 구성된 크리스탈 발진기;

상기 기준 클록 주파수 신호를 수신하도록 구성된 프로그램가능 GPS 라디오 주파수(RF : radio frequency) 위상 고정 루프 및 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기로서, 기준 클록 주파수 에러 추정 신호를 수신할 수 있고, 출력 신호들로부터의 추정된 주파수 에러의 효과를 대체로 상쇄시키는 방식으로, 상기 GPS RF 위상 고정 루프 및 상기 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기의 출력 신호들을 보상할 수 있는, 상기 프로그램가능 GPS RF 위상 고정 루프 및 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기;

상기 온도 센서에 의해 표시된 바와 같이, 상기 현재의 온도에 대체로 비례하는 신호를 출력하도록 구성된 온도 감지 회로;

상기 온도 감지 회로의 출력 신호를 수신하고, 상기 온도 감지 회로의 상기 출력 신호를 온도 센서 저항 추정치에 맵핑하고, 상기 온도 센서 저항 추정치를 크리스탈 공진기 기준 발진기 온도 추정치로 더 변환하도록 구성된 분석적인 온도 센서 모델;

상기 분석적인 온도 센서 모델의 상기 온도 센서 저항 추정치를 수신하고, 교정된 온도-주파수 특성 곡선에 기초하고 있는 크리스탈 발진기 주파수 편차 및 상기 크리스탈 공진기 온도 사이의 일대일(one-to-one) 맵핑을 통해 상기 온도 센서 저항 추정치를 주파수 편차 추정치로 변환하도록 구성된 분석적인 크리스탈 기준 발진기 주파수 편차 대 온도 모델을 포함하고,

상기 프로그램가능 위성 위치확인 시스템(GPS) RF 위상 고정 루프, 상기 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기, 또는 이 둘의 조합은 상기 주파수 편차 추정치를 수신하고, 상기 GPS RF 위상 고정 루프 및 상기 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기의 상기 출력 신호들로부터의 상기 추정된 주파수 에러의 효과를 대체로 상쇄시키는 방식으로, 상기 출력 신호들의 주파수, 상기 출력 신호들의 위상, 또는 이 둘의 조합을 보상하도록 더 구성되어, 상기 GPS RF 위상 고정 루프, GPS 기저대역 수치 제어 발진기, 또는 이 둘의 조합이 수신된 위성 GPS 신호들을 정확하게 프로세싱하기 위하여 대체로 온도 보상되는 주파수 신호들을 출력하게 하고,

상기 온도 감지 회로는 저항기 분배기 회로, 연산 증폭기, 피드백 저항기들, 전압 오프셋 저항기들, 및 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함하고,

상기 저항기 분배기 회로는 온도 센서 저항성 소자 및 복수의 스위칭되는 감지 저항기들로 구성된다.

일 측면에 따르면, 방법은:

셀룰러 모듈에서 크리스탈 발진기를 미보상된 크리스탈 공진기와 결합하는 단계;

상기 셀룰러 모듈 내의 상기 크리스탈 발진기로부터 기준 신호를 수신하는 단계;

셀룰러 라디오 주파수(RF : radio frequency) 위상 고정 루프 및 셀룰러 기저대역 PLL에 의해, 상기 셀룰러 모듈의 동작 동안에 수신된 셀룰러 다운링크 신호 및 셀룰러 국부 발진기 신호 사이의 계산된 주파수 에러들을 보상하는 단계;

위성 위치확인 시스템(GPS : global positioning system) 모듈 내의 상기 크리스탈 발진기로부터 상기 기준 신호를 수신하는 단계;

온도 감지 회로에 의해, 현재의 온도에 대체로 비례하는 신호를 출력하는 단계; 및

GPS RF 위상 고정 루프, GPS 기저대역 수치 제어 발진기, 또는 이 둘의 조합에 의해, 온도 감지 회로 출력 및 교정된 온도-주파수 특성 곡선에 기초하여 전체 동작 온도 영역에 걸쳐 GPS 모듈의 동작 동안에 온도 드리프트(temperature drift)로 인한 계산된 주파수 에러들을 보상하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 방법은:

전압 분배기를 통해 써미스터로부터의 온도를 전압으로 변환하는 단계를 더 포함하고,

상기 전압 분배기가 닫힌 위치에 있는 임의의 저항기(resistor)에 접속되도록, 상기 전압 분배기는 개방 또는 닫힌 위치에 있는 각각의 저항기를 제어하기 위한 스위치들을 갖는 저항기 어레이를 포함하고,

상기 어레이 내의 저항기들을 위한 저항값은 -30℃ 내지 85℃에 걸친 그 대응하는 서브-온도(sub-temperature) 영역에 대해 최적화되고,

공장 교정 후의 최악의 경우의 프로세싱 변동 및 불확실성 하에서 2개의 인접한 온도 영역들 사이에 온도 갭(gap)이 없다는 것을 보장하기 위하여, 각각의 스위칭 포인트에서의 온도의 최소 중첩이 할당된다.

바람직하게는, 방법은:

상기 온도 감지 회로의 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 통해 감지 전압을 디지털 판독치들로 변환하는 단계를 더 포함한다.

바람직하게는, 방법은:

상기 온도 감지 회로에 대하여, 직렬 저항값 R_S 및 써미스터 정상 저항값 R_N의 비율을 특정 타겟값으로 튜닝(tuning)하는 단계; 및

상기 온도 감지 회로에 대하여, 교정 시간을 감소시키기 위하여, 시퀀서(sequencer)로 상기 저항기 어레이에서의 모든 저항기들에 대한 직렬 저항 및 측정을 튜닝하는 단계를 더 포함한다.

바람직하게는, 방법은:

대표적인 크리스탈 샘플들의 작은 세트(set)에 기초하여 온도-주파수 곡선 맞춤 내의 다항식들을 온도의 함수로서 특징화하는 단계;

-30℃로부터 85℃까지의 온도에 걸친 상기 크리스탈 공진기의 주파수 편차를, 상기 온도 종속적 다항식 계수들을 갖는 모델로 맞추는 단계를 더 포함한다.

바람직하게는, 방법은:

대표적인 크리스탈 샘플들의 작은 세트에 기초하여 냉온(cold temperature)에 대한 온도-주파수 곡선 맞춤 계수들 및 실온(room temperature)에 대한 온도-주파수 곡선 맞춤 계수들 사이의 관계를 특징화하는 단계;

열온(hot temperature)에 대한 온도-주파수 곡선 맞춤 계수들 및 실온에 대한 온도-주파수 곡선 맞춤 계수들 사이의 관계를 특징화하는 단계;

공장 교정 동안의 주파수-온도 측정들의 세트에 기초하여 실온에 대한 온도-주파수 곡선 맞춤 계수들을 추출하는 단계;

대표적인 크리스탈 샘플들의 상기 작은 세트를 분석하는 것을 통해 얻어진 상기 특징화 관계들 및 상기 실온 계수들에 기초하여 냉온 및 열온에 대한 상기 온도-주파수 맞춤 계수들을 연산하는 단계; 및

온도에 걸친 상기 크리스탈 공진기의 크리스탈 주파수 편차를, 각각의 세그먼트가 -30℃로부터 85℃까지의 서브-온도 영역에 대응하는 다수의 다항식 세그먼트들을 갖는 모델로 맞추는 단계를 더 포함한다.

본 발명에 따르면, 공동-통합된(co-integrated) 통신 시스템들 및 스탠드얼론(standalone) 시스템들을 위한 기준 크리스탈 발진기(reference crystal oscillator)들을 구현할 수 있다.

본 개시 내용의 다수의 측면들은 다음의 도면들을 참조하여 더 양호하게 이해될 수 있다. 도면들 내의 구성요소들은 반드시 비례를 조정해야 하는 것은 아니고, 그 대신에, 본 개시 내용의 원리들을 명확하게 예시하는데 역점을 둔다. 또한, 도면들에서는, 유사한 참조 번호들이 몇몇 도면들에 걸쳐 대응하는 부분들을 나타낸다.
도 1은 공동-통합된 셀룰러 및 GPS 시스템들이 그 각각의 크리스탈 공진기-기반(crystal resonator-based) 기준 발진기들을 위한 별개의 크리스탈들을 사용하는 예시적인 시스템을 위한 하이-레벨 아키텍처(high-level architecture)를 예시하는 시스템 도면이다.
도 2는 본 개시 내용에 따라, 셀룰러 및 GPS 시스템들 사이의 공동-통합된(또는 공유된) 기준 크리스탈 발진기 시스템의 실시예에 대한 하이 레벨 아키텍처를 예시하는 시스템 도면이다.
도 3은 도 2의 공유된 크리스탈 발진기 시스템과 연관된 온도 감지 회로의 예시적인 실시예에 대한 하드웨어 구성의 도면이다.
도 4는 도 2의 공유된 크리스탈 발진기 시스템과 연관된 차동 전압 분배기 설계를 포함하는 온도 감지 회로의 예시적인 실시예에 대한 하드웨어 구성의 도면이다.
도 5는 본 개시 내용의 실시예에 따라, 통상적인 단일 감지/바이어스 저항기(single sense/bias resistor) 설계 및 멀티-감지/바이어스-저항기(multi-sense/bias-resistor) 설계 사이에서 온도에 대한 온도 감지 회로 전압 분배기 감도(sensitivity)의 비교를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 개시 내용의 실시예에 따라, 통상적인 단일 감지/바이어스 저항기 설계 및 멀티-감지/바이어스-저항기 설계 사이에서 온도에 대한 온도 감지 회로 SNR(signal-to-noise ratio : 신호-대-잡음 비율)의 비교를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 개시 내용의 실시예에 따라, 감지 저항기(sense resistor)들에 대한 튜닝되지 않은 저항값(un-tuned resistance value)을 갖는 스위칭된(switched) 멀티-센서/바이어스-저항기(multi-sensor/bias-resistor) 설계를 도시하는 도면이다.
도 8은 본 개시 내용의 실시예에 따라, 저항기 튜닝(resistor tuning)을 위한 기술을 예시하는 도면이다.
도 9는 본 개시 내용의 실시예에 따라, 감지/바이어스 저항기들에 대한 튜닝된 저항값을 갖는 스위칭된 멀티-센서/바이어스-저항기 설계를 도시하는 도면이다.
도 10은 본 개시 내용의 실시예에 따라, 온도 감지 회로에 대한 이득(gain) 및 오프셋(offset)을 교정(calibrate)하기 위해 이용되는 예시적인 구성의 실시예를 예시하는 도면이다.
도 11은 본 개시 내용의 실시예에 따라, 온도-주파수 곡선 맞춤(temperature-to-frequency curve fitting)으로부터의 주파수 에러의 슬루(slew)를 통상적인 단일-세그먼트 모델(single-segment model) 대 멀티-세그먼트 모델(multi-segment model)에서 비교하는 도면이다.
도 12 내지 도 14는 본 개시 내용에 따라, 크리스탈 공진기를 공유하기 위한 방법들의 다양한 실시예들의 순서도들이다.
도 15는 본 개시 내용의 실시예에 따라, 공동-통합된 기준 크리스탈 발진기 시스템을 포함하는 예시적인 통신 디바이스를 예시하는 도면이다.

기준 크리스탈 발진기 시스템을 포함하는 어떤 실시예들이 본 명세서에 개시되어 있다. 일부 실시예들에서, 단일 크리스탈 발진기는 시스템 전반에 걸쳐 사용되고, 단일 크리스탈 공진기(102)(도 2)는 스탠드얼론 GPS 시스템들 또는 다른 스탠드얼론 주파수 감지 시스템들과 함께 이용하는데 전용이다. 다른 실시예들에서, 공동-통합되는 셀룰러 시스템(101) 및 GPS 시스템(108)의 경우와 같이, 단일 크리스탈 공진기(102)(도 2)는 공유된다.

예시적인 실시예에서, 단일 크리스탈 공진기(102)는 본질적으로 보상된(compensated) 유형의 크리스탈 발진기가 아니다(예를 들어, TCXO, 전압 제어된 온도 보상된 크리스탈 발진기-VCTCXO(Voltage Controlled Temperature Compensated Crystal Oscillator)가 아니고, 디지털 제어된 크리스탈 발진기(DCXO : Digital Controlled Crystal Oscillator)도 아니다). 예를 들어, 하나의 실시예에서, 크리스탈 공진기(102)는 미보상된(uncompensated) 크리스탈 공진기 및 외부 온도 센서(예를 들어, 써미스터(thermistor))(105) 또는 공동-통합된 (써미스터-기반) 열 감지 미보상된 크리스탈 발진기(TSX : thermal sensing uncompensated crystal oscillator)를 포함한다. 또한, 일부 실시예들에서는, GPS 시스템 또는 모듈(108)의 외부에 있거나 (예를 들어, 통합된 반도체 칩 또는 회로의 일부로서) GPS 시스템(108)과 통합될 수 있는 온도 감지 및 보상 회로들 또는 모듈들(120, 122)은 GPS시스템(108)에서의 크리스탈 온도 드리프트(drift)로 인한 계산된 주파수 에러들을 보상한다.

다양한 실시예들에서, 크리스탈 공진기(102)는 셀룰러 시스템(101)(예를 들어, 셀룰러 기저대역 시스템 또는 C-BB(106), 셀룰러 RF 시스템 또는 C-RF(104), 등)을 위하여 자유롭게 실행하는 것(즉, 정정 신호들이 인가되지 않음)이 허용된다. 셀룰러의 목적들을 위하여, C-BB(106)는 주파수 에러로부터 유래된 타이밍 에러들뿐만 아니라, 수신된 다운링크 셀룰러 신호 및 셀룰러 RF 시스템의 국부 발진기(LO : local oscillator) 주파수 사이의 주파수 에러들을 계산한다. 다음으로, 이 에러들은 셀룰러 Rx PLL(receiver phase locked loop : 수신기 위상 고정 루프)(112) 및 C-BB의 DPLL(digital PLL : 디지털 PLL)(110)에서 각각 보상된다. 이것은 C-BB의 크리스탈 발진기 회로(크리스탈 공진기(102) 및 크리스탈 발진기(XO)(103))가 비섭동된(unperturbed) 상태로 실행하도록 하고, 이것은 C-RF 시스템(104)을 위해 이용되고, 또한 버퍼링되고 GPS 솔루션(solution) 또는 시스템(108)과 공유된다. 이와 병행하여, GPS 솔루션(108)은 온도 센서(예를 들어, 써미스터)(105)를 사용하고, 이 써미스터(105)는 크리스탈 공진기(102)에 열적으로 근접하고, 온도 보상된 GPS 시스템 클록이 상기한 엄격한 요건들을 충족할 수 있도록, GPS Rx PLL(144) 또는 GPS BB 수치 제어 발진기(NCO : numerically controlled oscillator)(115) 또는 둘 모두에서의 온도 드리프트에 의해 야기된 임의의 주파수 에러를 보상하기 위한 온도-주파수 보상 소프트웨어(120) 뿐만 아니라 온도 감지 회로(122)를 포함한다.

온도-주파수 보상 소프트웨어(120)의 실시예는 온도 변환 소프트웨어 모듈(123) 및 온도-주파수 변환 모듈(124)의 둘 모두를 포함한다. 다양한 실시예들에서, 온도 변환 소프트웨어 모듈(123)은 전압-온도 변환들, 전류-온도 변환들, 또는 저항-온도 변환들을 수행할 수 있다. 따라서, 하나의 실시예에서, 온도 변환 소프트웨어 모듈(123)은 온도 감지 회로의 출력 전압(또는 전류-모드 구현들에서의 전류)을 특정 온도로 변환한다.

이 전압/전류/저항 대 온도 변환은 써미스터의 저항 대 온도 특성을 고려하고, 온도 감지 회로의 전달 함수(transfer function)는 추후에 논의되는 바와 같이, 공급 전압, 이득들, 전압(전류 또는 저항) 오프셋(offset)들, 전압 분배 비율들, 등을 포함한다. 또한, 온도-주파수 변환 소프트웨어 모듈(124)의 실시예는 모듈(123)에 의해 제공되는 온도 추정치(estimate)들을 주파수 편차(frequency deviation) 추정치들로 변환하고, 그 세부사항들이 추후에 또한 논의되는 3차 다항식에 의해 통상적으로 모델링되는 석영 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기의 주파수 대 온도 특성의 결과이다. 일부 실시예들에서, 모듈들(123 및 124)은 하나의 모듈로서 합성될 수 있다.

반대로, 도 1의 예시적인 시스템 아키텍처에서는, 셀룰러 기준 발진기 회로(131 및 133)가 일반적으로 독립적이고 GPS 시스템의 기준 발진기 회로(134)로부터 분리된다. 특히, 도 1은 공동-통합된 셀룰러 및 GSP 시스템들이 그 각각의 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기들을 위하여 별개의 크리스탈들을 사용하는 예시적인 시스템을 위한 하이-레벨 아키텍처를 예시한다. 이 도면에서, 셀룰러 시스템의 크리스탈(133)은 통합된 DCXO와 결합된 낮은 비용의 크리스탈이고, GPS 시스템의 크리스탈(134)은 TCXO이다.

또한, GPS 시스템의 TCXO(134)는 상기한 GPS 시스템의 엄격한 최대 주파수 슬루 레이트 및 최대 주파수 스텝 변화 요건들을 충족하도록 일반적으로 설계된다. GPS 시스템에 대해 설계된 TCXO에 대하여, GPS-설계된 TCXO-기반 기준 발진기의 핵심 성능 사양들 중의 3개는:

ㆍ계속적인 주파수 출력;

ㆍ최대 절대 주파수 편차; 및

ㆍ섭씨 온도(degree Centigrade) 당 최대 주파수 드리프트이다.

예시적인 목적들을 위하여, 마지막 2개의 성능 사양들에 대한 값들은 각각 2 ppm 및 20 ppb/℃로서 규정된다. 이 규정된 값들은 도 1의 시스템 도면에 의해 설명된 값들과 일반적으로 일치하지만, 본 개시 내용의 응용가능성을, 대응하는 실제적인 사양들이 위에서 규정된 예시적인 값들과 동일하거나 대략 동일하지 않은 제품들로 제한하기 위한 것이 아니다.

또한, 스탠드얼론 GPS, 공동-통합된 GPS 및 셀룰러 통신 시스템들 등인 모든 물리적 시스템들은 최대의 특정된 내부 방열(internal heat dissipation)을 가지고, 이동 통신 시스템의 주변 환경 온도와 결합하여 시스템 내의 부품들의 온도가 시간의 함수로서 변화하도록 할 것이다. 본 개시 내용에서의 특별한 관심 사항은 석영 크리스탈 공진기 부품들의 온도 변화의 최대 및 최소 레이트이다. 예시적인 목적들을 위하여, 이 최대/최소 크리스탈 공진기 온도 변화 레이트는

로서 규정된다. 따라서, 이 예시적인 규정된 조건들 하에서, GPS 시스템의 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기의 출력 주파수가 변화하는 레이트는 10 ppb/sec를 초과하지 않는다.

그 결과, 그 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기의 출력 주파수가 그 이상적인 타겟 (주파수) 값과 겨우 2 ppm만큼 상이하고 기준 발진기 출력 주파수가 변화하는 레이트 대 온도가 20 ppb/℃를 초과하지 않으면, 상기한 규정된 예시적인 성능 사양들에 기초하여 TCXO 기준 발진기들(134)을 사용하는 GPS 시스템들로 포함된 적용가능한 회로 및 알고리즘들(136)은 그 GPS 시스템 성능 요건들을 충족시킬 수 있다. 동등하게, 상기한 예시적인 규정된 크리스탈 공진기의 온도 변화의 최대/최소 시간 레이트(

)를 또한 포함함으로써, 그 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기의 출력 주파수가 그 이상적인 타겟 (주파수) 값과 겨우 2 ppm만큼 상이하고 기준 발진기 출력 주파수가 변화하는 레이트 대 온도가 10 ppb/sec를 초과하지 않으면, 상기한 규정된 예시적인 성능 사양들에 기초하여 TCXO 기준 발진기들(134)을 사용하는 GPS 시스템들로 포함된 회로 및 알고리즘들(136)은 그 GPS 시스템 성능 요건들을 충족시킬 수도 있다.

이하, 본 개시 내용에서는, GPS 시스템 기준 발진기의 최대 절대 출력 주파수 편차 또는 GPS 시스템 기준 발진기의 최대 출력 주파수 드리프트 레이트가 표시될 때, 2 ppm 및 10 ppb/sec가 실제로 시스템의 규정된 최대 값들인 시스템들에만 적용하기 위하여, 이 규정된 예시적인 값들(2 ppm 및 10 ppb/sec)이 본 개시 내용의 범위를 제한하지 않으면서 이용될 수 있다. 또한, 임의의 개시된 알고리즘들(예를 들어, 알고리즘들(136))은 본 개시 내용에 따라 소프트웨어, 펌웨어, 및/또는 하드웨어로서 구체화될 수 있고 이들을 포괄할 수 있다.

따라서, 유사하게는, 본 개시 내용의 상기한 복합적인 온도 감지 회로(122) 및 온도-주파수 보상 소프트웨어(120)가 (이상적인 고정된 그리고 연속적인 타겟 주파수 기준에 대하여) 정확하게 추정한다면, 미보상된 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기의 주파수 출력(전체 에러가 샘플 간격 동안의 진정한 주파수 편차 및 샘플 간격 동안의 추정된 주파수 편차 사이가 되도록, 충분한 레이트에서 그리고 충분한 정확도로 샘플링됨)은 미리 규정된 예시적인 3 ppb 최대치를 초과하지 않는다. 다시 말해서, 진정한 그리고 추정된 주파수 편차 사이의 샘플-샘플 에러가 보상 신호로서 적용될 때, 이 샘플-샘플 에러는, 샘플 레이트가 주파수 출력의 시간 레이트 변화에 대해 불충분할 때에 보상 신호들인 보상된 주파수 출력에서의 불연속과 동등하다.

또한, 온도-주파수 보상된 GPS 기준 주파수 및 상기한 이상적인 고정된 및 연속적인 타겟 주파수 사이의 미보상된 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기의 최대 절대 주파수 편차는 2 ppm을 초과하지 않는다. 또한, 온도-주파수 보상된 GPS 기준 주파수 및 상기한 이상적인 고정 및 연속적인 타겟 주파수 기준 사이의 초(second) 당 최대 겉보기 주파수 드리프트(apparent frequency drift)는 10 ppb/sec를 초과하지 않는다.

다음으로, 이 제약들 하에서, 실제로, 미보상된 크리스탈 공진기 기반 기준 발진기가 복합적인 온도 감지 회로(122) 및 온도-주파수 보상 소프트웨어(120)의 상기한 실시예들에 의해 (크리스탈 부품에 대해 외부적으로) 보상될 때, 종래 기술의 GPS 시스템들로 포함된 회로 및 알고리즘들(136)은 모든 미리 언급된 GPS 시스템 성능 요건들을 충족하는 실질적인 수정 없이 또한 가능하다.

방금 제시된 언급들은 GPS 회로 및 알고리즘들이 종래 기술의 GPS 시스템들의 그것과 유사해 보일 수 있는 시스템들로의 본 개시 내용의 적용가능성을 제한하기 위한 것이 아니고, 그 대신에, 본 개시 내용의 부품들이 GPS 시스템들로 통합될 수 있고 이에 따라 TCXO-기반 GPS 시스템 기준 발진기들(134)에 대한 필요성을 제거할 수 있는 용이함을 예시하기 위한 것이다. 위에서 기술된 바와 같이, 본 개시 내용의 다양한 실시예들은 외부 써미스터(thermistor) 또는 크리스탈 공진기(102)와 통합된 써미스터(105)를 사용할 수 있다. 또한, 본 명세서의 개시 내용의 일부로서 설명된 온도 감지 회로(122)의 실시예들은 보상 알고리즘들을 구현하기 위한 소프트웨어 또는 펌웨어 로직과 함께, (스위칭된) 감지/바이어스 저항기 어레이, 오프셋 저항기(R_OS), 피드백 저항기들, 연산 증폭기, 및 아날로그-디지털 변환기(ADC) 회로를 포함할 수 있다. 크리스탈 공진기(예를 들어, TSX)(102)가 공유되는 또 다른 실시예에서, C-BB(106)의 실시예는 C-BB(106)의 실시예는 주파수 에러로부터 유도된 타이밍 에러들뿐만 아니라, 수신된 셀룰러 다운링크 신호 및 셀룰러 LO 주파수 사이의 주파수 에러들을 계산한다. 다음으로, C-BB(106)는 각각 셀룰러 RX PLL(receiver phase locked loop : 수신기 위상 고정 루프)(112) 및 C-BB의 DPLL(digital PLL)(110)에서 이 에러들을 보상한다.

이와 병행하여, 셀룰러, GPS, 또는 공동-통합된 셀룰러-GPS 콤보(combo) 칩에서 구현될 수 있는 온도 감지 회로(122) 및 온도-주파수 보상 소프트웨어(120)의 실시예는 크리스탈 공진기(예를 들어, TSX)(102)가 결합되는 크리스탈 발진기(103)(예를 들어, DCXO)에서의 온도 드리프트에 의해 야기되는 임의의 주파수 에러를 보상한다. 다음으로, 크리스탈 발진기(103)로부터의 버퍼링된 클록은 GPS 시스템(108)을 위한 기준 클록으로서 이용될 수 있다. 셀룰러 및 GPS 시스템들 사이의 공유된 크리스탈(102)의 이 실시예에서, 크리스탈 공진기(102) 및 그 결합된 크리스탈 발진기(103)는 셀룰러 시스템(101)으로부터의 주파수 변화들이 없지만; 크리스탈 공진기의 온도 드리프트를 추정하기 위하여, 온도 감지 회로(122)의 실시예에 의해 크리스탈 공진기(102)와 결합된 크리스탈 발진기(103)를 통해 기준 주파수가 보상된다.

온도 감지 회로(122)의 실시예들은, 크리스탈 발진기 주파수 출력이 대략 1-ppb 분해능(resolution)까지 연속적이고, 크리스탈 발진기 주파수 출력의 최대 절대 주파수 편차가 미리 규정된 예시적인 2 ppm보다 작고, 크리스탈 발진기 주파수 출력의 최대 주파수 드리프트가 미리 규정된 예시적인 10 ppb/sec보다 작도록, 온도 드리프트를 추정할 수 있다. 본 명세서에서 설명된 다양한 실시예들에서, 크리스탈 공진기-기반 발진기의 실온(room temperature)에서의 부분-대-부분(part-to-part) 주파수 변동은 공장(factory)에서 교정되고 초기 셀룰러 및 GPS 기동(power up) 단계 동안에 보상되는 것으로 가정된다.

도 2는 공동-통합된 이동 통신 시스템들에서 사용되는 공유된 기준 크리스탈 발진기 시스템의 실시예에 대한 하이 레벨 아키텍처를 예시하는 시스템 도면이고, 공유된 크리스탈 공진기(102)는 예시적인 TSX이다. 크리스탈 공진기(102)는 셀룰러 시스템(101) 및 GPS 시스템(108) 사이에서 공유된다. GPS 시스템(108)은 수신된 위성 항법 시스템(global navigation satellite system)(예를 들어, GPS, GLONASS, GALILEO, 등) 신호들에 기초하여 위치 정보를 결정하도록 동작가능하다. 셀룰러 시스템(101)은 셀룰러 RF(radio frequency : 라디오 주파수) 시스템(104) 및 셀룰러 기저대역 시스템(cellular baseband system)(106)을 포함한다.

셀룰러 시스템(101)의 대안적인 실시예들은 단일 (미보상된) 크리스탈 발진기(103)로부터 동작할 수 있지만, 셀룰러 기저대역(106)의 일부 실시예들은 디지털 분수 PLL(digital fractional PLL)(110)을 사용할 수 있고, 대응하는 RF 아날로그 회로(104)는 셀룰러 요건들을 충족하기 위한 충분한 분해능을 갖는 위상 고정 루프(PLL : Phase-Locked-Loop) 발진기(112)를 사용할 수 있다.

셀룰러 시스템(101)에 대하여, 자동 주파수 제어(AFC : automatic frequency control) 기능부 또는 모듈((107)은 국부 발진기 신호 및 수신된 셀룰러 다운링크 신호 사이의 주파수 에러를 추정한다. 주파수 에러 추정치는 타이밍 및 주파수 보상을 위하여 DPLL(110) 및 RF PLL(112)로 각각 전달된다.

GPS 시스템(108)에 대하여, 자유롭게 동작하는(free-running) (석영) 크리스탈 발진기 회로(102 및 103)를 구현하기 위하여, 온도 감지 회로(122)는 온도 감지 회로(122)를 통해 온도 드리프트를 주기적으로 측정하고, 크리스탈 공진기의 교정된 온도-주파수 특성 곡선 추정에 기초하여 온도 드리프트를 주파수 에러로 변환하고, 온도 보상된 LO 주파수 또는 온도 보상된 BB 신호들을 발생하기 위하여 주파수 에러를 GPS Rx PLL(114) 또는 GPS BB NCO(numerically controlled oscillator : 수치 제어 발진기)(115) 또는 둘 모두로 통신한다.

하나의 실시예에서, 주파수 에러 추정치들은 수신된 셀룰러 다운링크 신호들 및 셀룰러 LO로부터 유도되지만, 셀룰러 RF 시스템(104) 내의 국부 클록 소스(local clock source) 및 셀룰러 BB 시스템(106) 내의 국부 클록 소스는 비동기 방식으로 보상되는 상이한 PLL들(110, 112)로부터 생성된다. 따라서, 일부 실시예들은 시간 기간에 걸쳐 가능성 있는 누락 샘플(missing sample)들을 회피하기 위하여 RF-BB 인터페이스에서 레이트 어댑터(rate adaptor) 또는 Read/Write 동기 설계(sync design)를 사용한다. 다른 실시예들에서, 셀룰러 RF(104) 및 BB(106) 내의 국부 클록 소스는 동일한 소스로부터 생성될 수 있고, 이에 따라, 동기 방식으로 보상될 수 있다.

도 2에 표현된 바와 같이, 본 개시 내용의 실시예들은 이전에 요구된 GPS TCXO(134)의 제거를 허용하는 GPS 온도 보상을 위한 높은 분해능의 저잡음 온도 감지 회로(122)를 사용한다. 도면에서, 온도 센서(105)는 크리스탈 공진기(102) 내에 포함된(또는 이 공진기와 통합된) 것으로서 표현되지만, 이것으로 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, 온도 센서 또는 써미스터(105)는 크리스탈 공진기(102)에 열적으로 근접한 것을 포함하여, 크리스탈 공진기(102)외 외부에 있을 수도 있다.

높은 분해능의 저잡음 온도 감지 회로(122)의 실시예는 온도 센서 또는 써미스터 하드웨어(105)와 함께 사용된다. 다양한 실시예들에서, 온도 감지 회로(122)는 GPS 모듈 또는 시스템(108), 또는 GPS 시스템이 그 위에 제조되는 집적 회로의 외부에 있을 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 온도 감지 회로(122)는 GPS 모듈 또는 시스템(108) 및/또는 셀룰러 시스템(101), 또는 GPS 시스템 및/또는 셀룰러 시스템들이 그 위에 제조되는 집적 회로와 통합될 수 있다. 온도 감지 회로의 분해능 및 잡음 요건들은 GPS 솔루션이 그 RX PLL(114) 및/또는 수신기 채널 디지털 클록들을 보상하는 것을 허용하기 위한 온도 보상 이후의 충분히 작은 잔여 온도 불확실성(residual temperature uncertainty)이 공유된 C-BB 자유-동작(free-running) 크리스탈의 전체 동작 온도 변동 범위에 걸쳐 위성 로크(satellite lock)를 유지하는 것을 가능하게 한다.

본 개시 내용의 실시예들을 포함하는 솔루션들은 (셀룰러 솔루션과 함께) 단일 크리스탈 공진기(102)를 공유하면서, GPS 시스템의 엄격한 최대 주파수 스텝 크기 및 최대 주파수 슬루 레이트를 충족시킨다. 크리스탈 공진기(102)는 일부 실시예들에서 셀룰러 기준 발진기(XO)(103) 및 온도 센서(105) 내에 사용된 낮은 비용(예를 들어, ~15￠)의 미보상된 석영 크리스탈 공진기 부품인 것으로 특징될 수 있다. 또한, 일부 실시예들은 GPS 시스템의 엄격한 최대 주파수 슬루 요건을 충족시키기 위하여 현재 전형적으로 요구되는 VCTCXO 또는 TCXO(예를 들어, ~75￠) 대 공동-통합되는 미보상된 석영 크리스탈 공진기 및 온도 센서(TSX)를 사용하는 것으로 특징될 수 있다. GPS 최대 주파수 스텝 크기 및 슬루 레이트는 GPS 설계에 의존하지만, 예시적인 수치는 3 ppb 최대 스텝 크기 및 10 ppb/sec 최대 주파수 슬루 레이트일 수 있다.

역사상, GPS 시스템들은 전체 주파수 변동에 대해 상대적으로 밀착된 공차(tight tolerance)(≤± 0.5 ppm)를 가지지만 최대 주파수 슬루잉(slewing)에 대해서는 극도로 밀착된 공차(≤± 10 ppb/sec)를 갖는 온도 보상된 크리스탈 발진기(TCXO : temperature compensated crystal oscillator)(134)를 요구하였다. TCXO(134)의 비용은, 셀룰러 시스템(101)이 GPS 시스템(108)과 공동-통합되지 않을 때, 또는 셀룰러(101) 및 GPS 시스템들(108)이 석영 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기를 공유하지 않을 때, 셀룰러 시스템 요건들을 현재 충족시키는 미보상된 석영 크리스탈 공진기들의 비용보다 대략 60￠의 프리미엄(premium)이 있다.

유익하게도, 본 개시 내용의 실시예들은 처음으로 공동-통합된 GPS 및 셀룰러 솔루션이 단일 석영 크리스탈 공진기(102)를 공유하는 것을 가능하게 하고, 이 단일 석영 크리스탈 공진기(102)는 (일부 실시예들에서, 온도 보상을 위해 이용되는 공동-통합된 온도 센서(105) 또는 써미스터 하드웨어를 제외하고) 크리스탈 공진기 내에 전압 제어 또는 온도 보상을 어느 것도 포함하지 않으며, 이에 따라, 솔루션의 재료 청구서로부터 VCTCXO 또는 TCXO 부분들을 제거한다.

궁극적으로, 개시된 실시예들의 목적은 10억 분의 1(ppb : parts-per-billion) 레벨까지 정확하고 ppb 레벨 기준 발진기 주파수 슬루잉 분해능을 마찬가지로 제공하기에 충분한 레이트로 포착되는 동적 기준 발진기 주파수 추정들을 제공하는 것이다. 정상 동작 하에서, 주파수 추정들은 온도 측정들을 이용하여 대리로(by proxy)로 행해진다. 이 온도 측정들은, 온도 추정들이 이 예시적인 경우에 -30℃ 내지 85℃ 범위인 전체 동작 온도 범위에 걸쳐 1000분의 1도(milli-degree) 레벨에서 정확하고, 민감하고, 정량적임을 보장하기 위하여, 플리커(1/f) 잡음 및 백색 잡음(white noise)을 특히 포함하는 모든 잡음 소스들을 포함하는 매우 개선된 온도 감지 회로(122) SNR(signal-to-noise ratio : 신호-대-잡음 비율) 및 전례 없는 감도에 영향을 준다.

이 목적을 위하여, 하나의 실시예에서, 온도 감지 및 기준 발진기 주파수 추정 능력은 도 3의 하드웨어 구성을 이용하여 템플릿(template)으로서 평가된다. 특히, 도 3은 본 개시 내용에 따른 도 2의 온도 감지 회로(122) 및 공유된 크리스탈 발진기 시스템(예를 들어, 크리스탈 공진기(102) 및 크리스탈 발진기(103))의 예시적인 실시예에 대한 하드웨어 구성의 도면이다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 그것은 감지 회로(122)의 공장 튜닝(factory tuning) 및 교정(calibration)의 예시적인 실시예로서 또한 이용된다.

도 3의 간략화된 전압 분배기(voltage divider)는 도 3에 도시된 바와 같이 실시예들을 싱글-엔드형(single-ended) 설계들로 제한하지 않는다. 도 4는 본 개시 내용에서 설명된 온도 감지 회로의 실시예에서 이용될 수 있는 저항 브릿지(resistive bridge) 내에 내장된 (차동) 전압 분배기를 예시한다. 차동 설계의 하나의 실시예에서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 저항기(R_Bias)가 써미스터의 명목 저항(R_N)과 명목상으로 동일하고, 저항기들(R_OS1 및 R_OS2)은 동일하다. 이 실시예에서, T₀보다 높은 온도들에 대해, 증폭기 출력은 중간-전원(mid-supply)보다 낮고, T₀보다 낮은 온도들에 대해서는, 증폭기 출력은 중간-전원보다 높다. 또 다른 실시예에서, 상이한 R_OS1 및 R_OS2 저항기 값들은 명목 온도에 대한 오프셋 전압에 영향을 주기 위해 사용된다. 도 4의 차동 전압 분배기 구현에서는, 본 개시 내용에서 설명된 멀티-R_Sense 설계가 스위칭 가능한 병렬 R_Bias 저항기들의 세트(set)에 의해 실현된다.

이전에 표시된 바와 같이, 기준 발진기의 주파수는 1차적으로 석영 크리스탈 압전 용량성 공진(quartz crystal piezoelectric capacitive resonance)으로 인해 그리고 2차적으로 발진기 제곱법칙(square-law) 온도 의존성들로 인해 온도와 함께 변동된다. 크리스탈의 용량성 공진 2차 발진기 효과들 및 온도 사이의 복합적인 관계는 수학식 1의 3차 다항식(cubic polynomial)에 의해 통상적으로 설명된다.

파라미터들 또는 계수들(p₀, p₁, p₂, p₃)은 특정한 석영 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기의 온도-주파수 편차 특성에 적합하도록 이용된다. 감지 회로 설계의 분석적인 세부사항들을 제공하기 위해서는, 설계에서 크리스탈 주파수 편차 및 써미스터 온도 주파수 관계를 설명하기 위하여 일반적으로 받아들여지는 모델들을 설정하는 것이 필요하다.

온도 센서 또는 써미스터(105)의 특성들에 대하여, Steinhart-Hart 수학식은 소정의 써미스터의 온도-저항 관계를 설명하기 위한 가장 정확한 표현으로서 인정되고, 이것은 다음과 같이 주어진다.

여기서, R_N은 켈빈 온도(K)로 표현된 실온(T₀)에서의 써미스터 또는 센서의 저항으로 보통 정의되는 정규화 저항(normalizing resistance)이다. 또한, 4개의 파라미터들 (A, B, C, D) 뿐만 아니라 (a, b, c, 및 d)도 특정한 써미스터의 온도-저항 특성에 적합하도록 이용된다. 큰 온도 범위들에 걸쳐 덜 정확하더라도, 다음의 더 간단한 표현들이 또한 사용된다.

여기서, 베타(

)는 다음과 같이 주어진다.

그리고, 변수들 R_NTC, R_N, T & T₀는 수학식들 2 및 3에서의 그 정의들로부터 변화되지 않는다. 본 개시 내용을 위하여, Steinhart-Hart 수학식들(수학식들 2 및 3)은 배타적으로 이용된다.

도 3을 다시 참조하면, 예시적인 온도 감지 회로(122)의 하이 레벨(high level) 부분 개략도/설계가 도시된다. 여기서, 전압 분배기는 써미스터 저항 변동 (대 온도)를 디지털화 가능한 전압으로 변환하도록 이용된다. 추후에 도시되는 바와 같이, 분배 회로에서의 써미스터의 최적의 위치는 몇몇 변수들의 함수이고, 이에 따라, 특정한 시스템의 요건들에 기초하여 결정되어야 한다. 비-반전(non-inverting) 연산증폭기(op-amp)(A)는 이득 증폭기(gain amplifier)로서, 그리고 아날로그-디지털 변환기(ADC : analog-to-digital converter) 앞의 임피던스 버퍼(impedance buffer)로서도 적용된다.

상기한 엄격한 GPS 최대 주파수 스텝 크기 및 최대 주파수 슬루 요건들 또는 공차를 충족시키기 위해 필요한 희망하는 온도-주파수 보상 정확도를 달성하기 위하여, 온도 감지 회로의 가장 중요한 특성들 중의 하나는 주파수 변동에 대한 온도 감지 회로 ADC의 입력 전압 감도(

)이고, 이것은 다음의 주요한 요소들로 이루어진 복합의 (비정규화된(unnormalized)) 감도이다.

G는 온도 감지 회로의 전압 신호를 디지털화하기 위해 이용되는 저항 분배 회로 및 아날로그-디지털-변환기(ADC) 사이에 배치된 증폭기(A)의 전압 이득(일반적으로 1 이상)을 나타낸다. 이 이득 함수(gain function)는 V_Sense로 명시된 전압을 증폭한다.

이득 함수(gain function)의 임피던스 버퍼링 이점들 외에도, 1보다 큰 이득들은 관심 대상 온도 감지 신호를 증폭하기 위한 것이고, 이에 따라, 규정된 델타-온도(△T) 분해능에 대한 ADC 입력에서 요구되는 최소 분해가능한 전압을 증가시키는 것은 수학식 7에 의해 델타-주파수(△f)로 변환되고, 이것은 본 명세서에서 일반적으로 ppb로 표현된다. 전체적인 온도 감지 함수에 대한 이점들은 증가된 ADC 유효 LSB(least significant bit : 최하위 비트) 전압 및 감소된 ADC 유효 비트수(ENOB : effective number of bits)이다. 희망하는 관심 대상 신호(즉, 써미스터 온도에 있어서의 변화로 인한 써미스터 저항 변화로 인한 전압 변화)를 증폭하는 것 외에도, 증폭기의 이득은 그 입력 단자들에 교차하여 존재하는 잡음을 또한 증폭시킨다.

증폭된 잡음에 관하여, 온도 감지 회로의 지배적인 잡음 소스들은 일반적으로 플리커(flicker) 및 열 잡음이다. 그 상대적인 크기는 잡음 소스의 스펙트럼 밀도가 통합되는 스펙트럼 주파수 범위에 의존한다. 이 스펙트럼 주파수 범위의 하부 경계는 GPS 시스템의 내부 지연-고정-루프(DLL : Delay-Lock-Loop), 주파수-고정-루프(FLL : Frequency-Lock-Loop), 위상-고정-루프(PLL : Phase-Lock-Loop) 및 필터링 설계 등에서 사용되는 최대 통합/누적 시간들에 의해 지배되고, 이 스펙트럼 주파수 범위의 상부 경계는 온도 감지 회로의 샘플 레이트에 의해 지배된다. 예시적인 목적들을 위하여, 잡음 소스들이 통합되는 스펙트럼 주파수 간격은 0.2 Hz 내지 450 Hz로서 규정된다. 이 예시적인 스펙트럼 주파수 간격에 대하여, 85 ℃에서의 100 ㏀ 저항기의 등가 (RMS) 열 잡음 전압은 ~0.95 uV이다.

다음으로, 예시적인 온도 감지 회로의 ADC가 그 유효 비트수(ENOB)가 16½ 비트인 18 비트라고 가정하면, ADC의 이론적인 SNR은 ~101 dB이다. 또한, 예시적인 온도 감지 회로 ADC의 최대 입력 범위가 1.2 V인 것으로 가정하면, 이론적인 SNR로부터 계산되는 (RMS) 잡음 전압은 ~ 3.75 uV이다. 비교의 목적들을 위하여, (Texas Instruments OPA333과 같이) 상업적으로 입수가능한 저잡음 저전력 연산 증폭기들 또는 op-amp들은 ~1.25 uV의 (0.2 Hz 내지 450 Hz로부터 통합된) 등가의 플리커 잡음 전압을 달성할 수 있다.

그 결과, op-amp 입력 양단의 이 예시적인 온도 감지 회로의 등가 저항이 100 ㏀ 근처이고 (0.2 Hz 내지 450 Hz로부터 통합된) op-amp의 입력 관련 등가 플리커 잡음 전압이 ~ 1.25 uV이라고 가정하면, op-amp 입력에서의 합성된 열 및 플리커 잡음은 1.6 uV이다(op-amp의 등가 입력 관련 (백색) 전압 및 전류 잡음 소스들로부터의 무시가능한 기여를 간주함). 결과적으로, 2.4 V/V의 이득에 대하여, op-amp(A) 입력 양단의 등가 저항으로 인한 열 잡음 및 op-amp의 입력-관련 플리커 잡음의 합성물로부터의 기여는 상기한 온도 감지 회로의 ADC 잡음과 동일해진다. 이 예가 예시하는 바와 같이, 온도 감지 회로의 증폭기 이득은 증폭기 입력 양단의 합성된 등가의 잡음 저항 및 증폭기의 입력-관련 플리커 잡음에 의해 일반적으로 제한된다.

증폭기 입력 양단의 등가 잡음 저항은 하나의 증폭기 입력 단자에서의 감지/바이어스 저항(R_Sense) 및 써미스터 저항(R_NTC)의 병렬 조합과, 다른 증폭기 입력 단자에서의 전압-오프셋 저항(R_OS) 및 피드백 저항들(R_F 및 R_B)의 병렬 조합에 의해 결정된다.

온도에 대한 분배기 전압 감도(

)의 크기는 R_NTC가 하이(high) 위치인지 여부에 관계없이(즉, V_Ref 및 V_Sense 사이의 단자 또는 로우(low) 위치(즉, V_Sense 및 GND 사이의 단자)) 동일하고, (예를 들어, R_NTC이 상부에 있다고 가정하면) 그것은 다음과 주어지는 것으로 나타내어질 수 있고,

온도에 대한 R_NTC의 미분은 수학식 3의 Steinhart-Hart 써미스터 저항 대 온도 표현을 다시 참조함으로써 결정되고, 다음과 같이 용이하게 나타내어진다.

유용한 치환은 파라미터

에 의해 명시되고 다음과 같이 주어지는 저항 비율(resistance ratio)을 정의하는 것이다.

이제, (수학식 9로부터의)

및 (수학식 10으로부터의)

를 수학식 8로 치환하면, 온도에 대한 전압 분배기의 감도는 다음의 형태로 진화한다.

변수들의 분리가 수학식 11에서 영향을 받은 것으로 보이지만, 온도 의존적 써미스터 저항이

내에 내장된다. 다른 한편으로, 수학식 11에서의 변동의 최대 지분(share)이 어디에 존재하는지를 이해하는 것이 유용하다. 온도를 명시적으로 포함하는 수학식 11의 항(term)은 써미스터 베타(Beta)의 (약한) 함수이지만, 이 항의 T(온도)는 켈빈(Kevin)으로 표현되므로, -30℃로부터 85℃까지의 동작 온도 범위 상에서의 변동은 대략 온도의 선형 함수(linear function)이다. 그러므로, 규정된 감지 저항 및 써미스터 베타 및 써미스터 정규 저항에 대하여, 그 전체 변동은

를 포함하는 항에 의해 위축된다. 따라서, 온도에 대한 분배기 전압의 감도를 최적화하기 위하여, 온도를 명시적으로 포함하는 수학식 11의 항은 선형 온도-의존 스케일링이 일정한 것으로 간주된다(그런데, 최적의 감도가 달성되는

값을,

자체의 값을 변경하는 것보다 더 적은 정도로 여전히 약간 변경할 수 있음). 이것은 수학식 11의 우측의

항(R_N에 대한 R_Sense의 비율로 구성됨)을, 설계 시에 튜닝될 수 있는 온도에 대한 전압 분배기 감도에 있어서의 유일한 파라미터로 하고, 이에 따라, 추가적인 주의를 할 가치가 있다.

이 목적을 위하여, 온도에 대한 전압 분배기 감도(수학식 11)는

에 대해 수학식 11의 미분을 취하고, 이 미분이 제로(zero)와 동일하게 설정될 때에

를 구함으로써 최대화된다. 따라서,

에 대한 수학식 11의 미분은 다음과 같이 용이하게 나타내어진다.

다음으로, 수학식 12를 제로(zero)로 설정하면, 온도에 대한 분배기의 최대 (비정규화된) 감도(

)가 얻어지는

의 값은 다음과 같이 용이하게 나타내어진다.

도 5는 3개의 예시적인 온도 감지 회로들(122)에 대하여, 온도에 대한 (비정규화된) 분배기 감도 곡선들 대 온도를 예시한다. 예시적인 써미스터 특성들은 도 5의 3개의 예시적인 온도 감지 회로들(122)의 각각에 대해 동일하고, 베타 ~4500을 갖는 써미스터들을 나타낸다. 제 1 예시적인 온도 감지 회로(곡선-404, 곡선-504(도 6))는 전체 동작 온도 범위에 걸쳐 이어지게 하기 위하여 단일 감지/바이어스 저항기(R_Sense)를 사용한다. 제 2 예시적인 온도 감지 회로(곡선-401, 곡선-501(도 6))는

의 값이 전체 동작 온도 범위에 대해 1인 이상적인 온도 감지 회로이다. 이것은 전압 분배기들의 상부 및 하부 위치들 둘 모두에서 (정합된) 써미스터들(105)을 갖는 것과 동등하다.

결과적으로, 온도에 대한 분배기 감도는 이 이상적인 온도 감지 회로(122)(곡선-401, 곡선-501(도 6))에 대한 전체 동작 온도 범위에 걸쳐 최대이다. 이 이상적인 온도 감지 회로(곡선-401, 곡선-501(도 6))는 (그 전압 분배기 감지 전압이 전체 동작 온도 범위에 걸쳐 일정하므로) 실제적인 유용성을 가지지 않지만, 그러나, 이 이상적인 온도 감지 회로는 온도에 대한 분배기 감도가 단일 감지/바이어스 저항기 실시예(예를 들어, 도 5(곡선-404) 및 도 6(곡선-504)에서 예시됨)에 대해 얼마나 많이 개선될 수 있는지를 예시한다. 도 5의 제 3 예시적인 온도 감지 회로는 이하 도 6에서 곡선(507)으로 명시된 바와 같이, 5개의 곡선들(곡선-402, 곡선-502(도 6); 곡선-403, 곡선-503(도 6); 곡선-404, 곡선-504; 곡선-405, 곡선-505(도 6); 및 곡선-406, 곡선-506(도 6))의 합성으로 구성되고, 본 개시 내용의 하나의 가능성 있는 실시예이고, 이 실시예에서는, 각각 고유의 그리고 고정된 저항값들로 구성되는 5개의 (스위칭되는) 감지/바이어스 저항기들이 온도 감지 회로로 포함되고, 5개의 (스위칭되는) 감지/바이어스 저항기들의 각각은 온도 감지 회로의 전체 동작 온도 범위의 일부만에 걸쳐 이어지도록 설계되고, 온도 감지 회로의 전체 동작 온도 범위의 이 5개의 부분들의 합성은 온도 감지 회로의 전체 동작 온도 범위에 걸쳐 연속적인 커버리지(coverage)를 집합적으로 제공한다.

예시적인 멀티-R_Sense 온도 감지 회로(곡선 507)는 예시적인 단일-R_Sense 온도 감지 회로(곡선 504)에 대한 본 개시 내용의 멀티-R_Sense 온도 감지 회로 아키텍처의 실시예들의 중대한 장점들을 입증한다. 전체 동작 온도 범위에 걸친 온도에 대한 멀티-R_Sense 온도 감지 회로의 최소 전압 감도는 종래 기술의 단일-R_Sense 온도 감지 회로(곡선-504)의 최소 전압 감도보다 대략 4배 더 크고, 즉, 멀티-R_Sense 온도 감지 회로에 대해 -30℃에서 ~25mV/℃ 및 85℃에서 ~17mV/℃인 것에 비해, 단일-R_Sense 온도 감지 회로에 대해 -30℃에서 ~4.3mV/℃이고 85℃에서 ~4.6mV/℃이고, 이것은 각각 -30℃ 및 85℃에서 14.6 dB 및 11.9 dB 보다 양호한 개선들을 나타낸다.

도 6은 종래 기술의 단일 감지/바이어스 저항기 설계뿐만 아니라, 본 개시 내용의 멀티-감지/바이어스 저항기 설계의 실시예의 둘 모두에 대해 ADC에서의 예시적인 온도 감지 회로의 (ADC-입력 관련) 신호-대-잡음-비율(SNR : Signal-to-Noise-Ratio)을 예시한다. 단일-R_Sense 및 멀티-R_Sense 온도 감지 회로 설계들은 각각 1.1 V/V 및 1.8 V/V의 이득들을 사용한다. 이 예시적인 온도 감지 회로들은 고정된 이득 및 전압 오프셋을 가정하고 있으므로, 단일-R_Sense 및 설계의 이득은 더 낮고, 이것은 궁극적으로 전체적인 허용가능한 ADC 입력 전압 범위가 단일-R_Sense 온도 감지 회로의 최대 이득을 제한하는 것으로 귀착된다. 이것은 본 개시 내용의 멀티-R_Sense 온도 감지 회로 아키텍처(122)의 고정된 이득 및 고정된 전압 오프셋 예시화(instantiation)들에서는 그렇지 않다.

그럼에도 불구하고, 도 6이 예시하는 바와 같이, 멀티-R_Sense 온도 감지 회로 아키텍처의 실시예는 종래 기술의 단일-R_Sense 온도 감지 회로 아키텍처에 비해 감지 회로의 최소 SNR을 (-30℃ 및 85℃ 온도 극단(extreme)들 근처에서) 14dB보다 많이 개선시킨다. 두 설계들에 대하여, 잡음 통합 대역폭(noise integration bandwidth)은 0.2Hz로부터 450Hz까지이지만, 이것으로 제한되지 않고; 이전에 표시된 3.75 uV는 ADC 입력 잡음으로서 이용되었지만, 이렇게 이용되는 것으로 제한되지 않고; 상업적으로 입수가능한 Texas Instruments OPA333 연산 증폭기의 잡음 특성들이 이득 증폭기로 가정되었지만, 이렇게 가정되는 것으로 제한되지 않는다.

수학식 7의 온도에 대한 크리스탈 공진기 기반 기준 발진기의 주파수 감도(

)는 간단히 온도에 대한 수학식 1의 편차이고, 다음과 같이 표현될 수 있다.

그러나, 수학식 14의 파라미터들(p₁, p₂, 및 p₃)이 크리스탈 공진기들의 전체 개체(population)들에 걸쳐 고정되는 것이 아니라, 그 대신에, 임의의 주어진 크리스탈 공진기 유형에 대해 유닛-대-유닛(unit-to-unit)으로 변동된다는 것을 인식하는 것도 중요하다. 결과적으로, 온도에 대한 (비정규화된) 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기의 주파수 감도는 온도 및 크리스탈 공진기의 3차 다항식 모델 파라미터의 유닛-대-유닛 변동 둘 모두의 함수들로서 변동된다.

종합해서, 양호하게 정의된 종속 감도 표현들의 조합을 통해, 수학식 7은 온도 감지 회로의 ADC 입력 전압에 의해 관찰 및 디지털화되는 온도-유도된(temperature-induced) 써미스터 저항 변동 및 온도-유도된 석영 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기 주파수 변동 사이에 분석적인 관계를 구축한다. 또한, 수학식 7에 의해 또한 설명된 감도들; 통상적인 회로 및 잡음 분석; 및 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기 주파수 편차 대 온도 3차 다항식 모델을 통해, 온도 감지 회로 및 주파수 대 온도 모델의 성능들을 포함하지만 이것으로 제한되지 않는, 본 개시 내용의 주파수 대 온도 보상 정확도의 주요한 요소들을 최적화하기 위한 수단이 이용가능하다.

도 7은 스위칭되는 감지 저항기 어레이 설계가 사용되는 예시적인 온도 감지 회로(122)를 예시하고, 각각의 감지 저항기는 전체 동작 온도 범위의 일부만을 포괄하도록 설계되는 한편, 집합적인(7개) 감지 저항기들은 온도 감지 회로의 전체 동작 온도 범위에 걸쳐 이어진다. 각각의 감지 저항기에 대응하는 점선은 그 감지 저항기의 명목 온도 기간을 도시한다. 각각의 감지 저항기의 명목 (점선) 라인 둘레로 거의 대칭적이고 상기 라인에 대략 평행한 2개의 라인들은 프로세스 변동을 설명하기 위해 행해져야 할 중대한 조절(accommodation)을 예시한다.

이 예시적인 감지 회로 구현예에서는, 다음의 변동 파라미터들이 가정된다: 써미스터 명목 저항 변동: ±10%, (통합된) 감지 저항 변동: (사전-튜닝(pre-tuning) ±20% 및 사후 튜닝 ±2½%), 공급 전압 변동: ±5%, 이득 변동: ±½% 및 출력 오프셋 전압 변동: ±150uV. 또한, 저항기들의 프로세스 변동을 넘어서 영역들 사이의 원활한 전이(transition)를 보장하기 위하여, 각각의 스위칭 영역에 대한 최소 및 최대 저항에서 충분한 중첩(overlap)들이 포함된다.

본 개시 내용의 추가적인 특징은 각각의 감지 저항기 스위칭 경계에 근접한 좁게 이격된 수직 라인들의 포함에 의해 이 예시적인 온도 감지 회로(122)에서 도시된다. 이 좁은 영역들은, 온도가 이 감지 저항기 경계들 중의 임의의 것에 걸쳐 전이할 때, 일종의 히스테리시스(hysteresis)를 강제하기 위해 이용되는 전용 중첩 영역들을 형성한다. 구체적으로, 이 전용 히스테리시스 레인(lane)들을 증가된 샘플 레이트로 또는 증가된 샘플 레이트 없이 횡단(traverse)하는 동안, 감지 회로(122)는 하나의 사이클 동안에 현재의 감지 저항기를 교대로 샘플링할 수 있고, 그 다음으로, 다음 사이클 동안에 접근하는 감지/바이어스 저항기를 샘플링할 수 있다.

다행스럽게도, 주어진 크리스탈 공진기의 최대 주파수 슬루는 온도 극단(extreme)들에서 발생한다. 사실상, -15℃ 내지 +70℃ 범위 이상에서, 최대 주파수 슬루(slew)는 가장 관심 대상 크리스탈 공진기들에 대한 -30℃ 및 +85℃ 온도 극단들에서의 크리스탈 공진기의 최대 주파수 슬루의 단지 절반에 지나지 않는다. 그러나, 도 7의 예시적인 온도 감지 회로(122)에 대해서는, 가장 차가운 감지 저항기 범위 전이가 -20℃ 미만이고, 가속된 샘플링이 가치가 있을 수 있다. 그러나, 곧 도시되는 바와 같이, 본 개시 내용의 예시적인 온도 감지 회로 실시예들은 이전에 표시된 -15℃ 내지 +70℃ 온도 범위 외부에서 감지 저항기 범위 전이들을 완전히 회피하고, 상기 온도 범위 내에서, 크리스탈의 최대 주파수 슬루(maximum frequency slew)는 -30℃ 및 +85℃ 온도 극단들에서 그 최대 주파수 슬루의 절반보다 작다.

그럼에도 불구하고, 도 7의 전용 감지 저항기 중첩 레인(lane)들은 현재의 감지 저항기 영역으로부터 접근하는 감지/바이어스 저항기 영역으로 전이하기 전에 보상될 수 있는 감지/바이어스 영역들 사이의 임의의 (교정후(post-calibration)) 잔여 오프셋의 결정을 용이하게 한다. 그 결과, 주파수 에러 추정치들이 접근하는 감지 저항기 영역의 데이터로부터 발생되기 전에, 영역들 사이의 임의의 잔여 오프셋이 보상되므로, 의도되지 않은 불연속적인 주파수 스텝들이 회피된다. 이하, 도 7의 이 전용 중첩 레인들은 히스테리시스 범위들이라고 지칭된다.

이제, 도 7의 예시적인 온도 감지 회로(122)로 돌아가면, 놀랍게도, 통합된 저항기 튜닝(곧 논의됨)이 이 예시적인 온도 감지 회로(122)에서 2½% 내로 사용된다. 이것에도 불구하고, 튜닝후(post-tuning) 프로세스 변동은 7개의 분명한 감지/바이어스 저항 영역들을 여전히 요구한다. 그러나, 회로는 통합된 감지 저항기들과 연관된 변형이 아니다. 그 대신에, 그 원인은 통합된 감지 저항값을 튜닝하기 위해 이용되는 기술에서 근거를 두고 있다.

구체적으로, 특정한 써미스터의 명목 저항은 이 예시적인 온도 감지 회로(122)에서 알려지지 않은 것으로 간주된다. 수학식들 10 내지 13에 의해 입증된 바와 같이, 각각의 감지 저항기 값이 써미스터의 명목 저항(R_N)에 의해 나누어진 감지 저항(R_Sense)의 비율로서 수학식 10에서 정의되었던 타겟

값으로서 정의될 때, 최적의 성능이 달성된다. 결과적으로, 특정한 써미스터 명목 저항값이 알려지지 않을 때, 각각의 감지/바이어스 저항기는 써미스터의 타겟 명목 저항값으로 튜닝되고, 이에 따라, 튜닝된

값에서 상당한 불필요한 변동을 유도한다.

일반적으로, 일부 실시예들에서는, GPS(108) 및/또는 셀룰러 시스템의 집적 회로들(104, 106)이 제조되는 설비와 같은, 집적 회로 제조 설비에서 저항기 교정 프로세스들이 수행될 수 있다. 다른 실시예들에서, 교정은 이동 통신 디바이스 제조 설비 또는 공장에서 교대로 수행될 수 있다. 또한, 일부 실시예들은 이동/통신 제조 설비 또는 공장에서 교정 절차들의 다른 측면들을 수행하면서, 집적 회로(IC) 제조 설비에서 교정 절차들의 이부 측면들을 수행할 수 있다.

하나의 실시예에서, 온도 감지 회로의 스위칭되는 감지 저항기(들)는 집적 회로 내에 포함된다. 이 실시예에서, 주어진 타겟(R_Sense/R_N) 저항 비율(

)에 대하여, ±20% 및 ±10%를 예시적인 집적 회로 면저항(sheet resistance) 프로세스 및 써미스터 명목 저항 부품 변동들로서 각각 가정하면, 통합된 감지/바이어스 저항기들은 최악의 경우(worse-case) 조합들(즉, 80%/110% 및 120%/90%)에 대해 튜닝가능해야 한다. 이것은 도 8에 예시된 바와 같이 저항기 튜닝 세그먼트(resistor tuning segment)들을 이용하여 달성된다.

이 도면에서, 스위치-A 및 스위치-B는 충분히 작은 온-상태 저항을 가지도록 크기가 조정된 트랜지스터들을 이용하여 일반적으로 실현되어, 트랜지스터 경로를 통한 저항은 전기적으로 쇼트아웃(short out)되는 저항 세그먼트(resistance segment)보다 대체로 더 작다. 따라서, 이 트랜지스터들은 고-임피던스(high-impedance) 오프-상태(off-state) 또는 저-임피던스(low-impedance) 온-상태(on-state)로의 온도 감지 회로 교정 및 튜닝 동안에 구성될 수 있다. 저-임피던스 상태에서는, 트랜지스터-기반 스위치가 트랜지스터 기반 스위치에 평행한 저항 세그먼트를 효과적으로 우회(bypass)(또는 쇼트아웃(short out))한다.

상기 설명된 면저항 및 써미스터 명목 저항 변동의 결과로, 하나의 실시예에서는, 각각의 감지/바이어스 저항기가 그 타겟 값의 <=75% 아래로 튜닝가능하면서, 그 타겟 값의 >= 138%에 대해 설계된다. 이것은 184%의 최대 저항으로부터 100%의 타겟 저항 아래로 튜닝하는 것과 동등하다. 이제, R_Max = 184%, R_Target = 100%라고 하고, 이 예시적인 타겟 튜닝된 저항 비율 공차가 ±2%라고 더욱 가정하고, 이 저항 비율 공차는

(즉,

= 0.02)으로 명시된다. 따라서, 이 예시적인 감지/바이어스 저항기 튜닝 시나리오에 대해, 요구되는 튜닝 상태들의 수(N_States)는 다음과 같이 주어진다.

더욱 중요하게도, 이 튜닝 상태들이 2진 방식(binary fashion)으로 구현된다면, 감지/바이어스 저항기 당 튜닝 비트들의 수는 다음과 같이 주어진다.

다음으로, 이 예시적인 온도 감지 회로(122)가 6개의 감지 저항기들로 구성된다고 가정하면, 전부 36개의 저항기 튜닝 세그먼트들이 요구되고, 이것은 다이 크기(die size) 및 복잡도(complexity) 우려들을 제기하지 않는다. 하나의 실시예에서는, 실리콘 집적 회로(IC)가 각각의 감지 저항이 예시적인 공차 내에 속하도록 재구성된(즉, 감지 저항기 튜닝 호출(invoke)됨) 후, 각각의 감지 저항기는 (예를 들어, 4개의 프로브(probe) 방법을 이용한 5½ 디지트(digit) 정확도로) 다시 측정된다. 다음으로, 이 최종 감지 저항기 값들은 송신되고, 실리콘 IC에 의해 최종 감지 저항기 값들로서 유지된다. 감지 저항기 저항값의 최종 튜닝은 온도 서브-영역(sub-region)들의 수의 측면에서 온도 감지 회로 설계에 대해 중대한 영향을 가진다.

예를 들어, 도 9는 감지 저항기들이 튜닝 후에 훨씬 더 작은 프로세스 변동을 가진다는 것을 제외하고는, 도 7에서와 동일한 설계를 예시한다. 저항기 프로세스 변동을 설명하기 위해 요구되는 마진(margin)은 도 7의 것보다 훨씬 더 작고, 그 결과, 온도 영역들의 수는 도 7에 비해 감소된다는 것을 알 수 있다.

또 다른 온도 감지 회로 실시예에서는, 집적 회로에서 구현될 때, 온도 감지 회로(122)는 도 3에서 표시된 바와 같이 구성 스위치들(SA, SB, SC & S0, S1, S2, ... SN)과 함께 구현될 수 있고, N은 일반적으로 6 이하이다. 또한, 도 3에서도 표시된 외부의 (4-점(point)) 프로브 패드들은 인쇄 회로 기판(PCB : printed circuit board)으로 포함될 수 있고, 이 인쇄 회로 기판 상에는, 이 예시적인 온도 감지 회로(122)를 포함하는 집적 회로가 존재한다. 이 조절들은 이 예시적인 멀티-R_Sense 온도 감지 회로 실시예의 매우 정확한 고속의 교정을 가능하게 한다.

미세 교정 설정(fine calibration setup)의 하나의 실시예가 수행될 수 있고, V_Sense(도 3)는 셀룰러 전화 공장 교정 테스트 고착물(fixture)과 접속될 수 있고, 접속 패드들은 공장 정밀 저항 판독(factory precision resistance reading)뿐만 아니라, 정밀 전압 판독(precision voltage reading)을 접속하기 위하여 R_NTC(도 3)에서 이용가능하다. 온도 감지 회로(122)가 상이한 온도 영역들로 전이할 때, 감지 저항기들을 스위칭하기 위한 정상적인 동작 동안에 이용되는 스위치들 외에도, 일부 실시예들에 대해, V_REF 스위치가 칩(IC)에서 또한 사용된다.

하나의 예시적인 실시예에서, R_NTC를 미세 교정하기 위하여, 모든 내부 감지 저항기 스위치들 및 V_REF 스위치는 개방(open)하도록 설정되고, 스위치(S0)는 V_sense 및 GND를 단락하도록 페쇄된다. 다음으로, 동일한 측정 패드들에서의 임의의 다른 가능성 있는 저항이 접속해제되므로, R_NTC 저항은 직접 측정될 수 있다. 또한, ADC 입력 임피던스는 연산 증폭기(A)로 인해 무한대인 것으로 간주된다.

도 3에 도시된 온도 감지 회로 조절들의 장점들은 풍부하다. 첫째, 스위치들(SA 및 S0 내지 SN)의 조합은 도 3에 도시된 써미스터(105)가 써미스터 저항의 정확하고 신속한 측정(이로부터 써미스터의 명목 저항이 계산될 수 있음)을 용이하게 하는 단자들(V_NTC 및 V_Sense)의 근처에 위치된 4-점 프로브 패드(4-point probe pad)들을 갖는 도 3의 집적 회로로부터 전기적으로 격리되도록 한다. 또한, 이 예시적인 온도 감지 회로의 저항들, 이득, 및 오프셋 전압들의 나머지는 상업적으로 입수가능한 고속 5½ 또는 6½ 디지트 정확도의 디지털 멀티-미터(multi-meter)들을 이용하여 교정될 수 있다. 바이어스를 위하여 ±½℃ 내의 온도 측정 정확도로 결합된 이것은 특정한 써미스터의 명목 저항의 정확한 추정(온도 측정 불확실성에 의해 주로 제한됨)을 가능하게 한다. 예를 들어, ~4500 베타 써미스터는 30℃ 근처에서 ~4.8%℃ 변동되고; 그러므로, 온도 바이어스가 ±½℃ 내에 있다고 가정하면, 써미스터의 명목 저항은 2.5% 내에서 용이하게 추정될 수 있다. 또한, 이 2.5% 써미스터 명목 저항 불확실성은 반드시 대응하는 온도 측정 불확실성으로 변환하지는 않는 것으로 나타내어질 수 있고, 교정된 온도 감지 회로는 크리스탈 공진기-기반 발진기 온도-주파수 모델을 교정하기 위해 이용되는 공장 주파수-온도 쌍 측정들의 온도 측정을 위해 또한 이용된다.

그 대신에, 크리스탈 공진기의 교정(추후에 논의됨)이 크리스탈 공진기의 주파수 대 온도 3차 다항식 모델 교정 및 파라미터 추출 동안에 크리스탈 공진기의 온도를 추정하기 위하여 완전히 교정된 온도 감지 회로(122)를 사용한다면, 상기한 온도 바이어스는 일반적인 3차 다항식 모델(또한 추후에 논의됨)의 대안적인 표현에서의 온도 오프셋 항으로 포함된다. 이것을 기억하고, 써미스터 저항 및 다른 온도 감지 회로 저항들 및 전압들이 충분한 정확도로 측정된다면, 명백한 써미스터 명목 저항 불확실성은 대략 <0.8%로 감소한다.

하나의 실시예에서, 멀티-R_Sense 온도 감지 회로의 감지/바이어스 저항들의 각각은 타겟 저항 비율(

)로 튜닝되어, 다음과 같이 되고,

은 써미스터의 교정된 명목 저항을 나타낸다. 이 방법이 온도 감지 회로의 감지/바이어스 저항기들을 튜닝하기 위하여 사용될 때, 튜닝후 프로세스 변동을 위해 필요한 조절은 도 9의 예시적인 온도 감지 회로(122)에서 예시된 바와 같이 대체로 감소한다. 사실상, 도 7 및 도 9의 예시적인 온도 감지 회로들(122)에 대한 이득들은 동일하다. 따라서, 이 실시예의 교정 방법(도 10에 도시됨)은 튜닝후 프로세스 변동을 조절하기 위해 요구되는 마진(margin)을 감소시키는 것을 담당한다. 정량적으로, 이 방법은 감도 또는 SNR에 있어서 희생하지 않으면서 요구되는 감지/바이어스 저항기들의 수를 7개로부터 5개까지 감소시키는 것을 담당한다. 어레이에서의 각각의 저항기의 저항은 유사한 방법을 이용하여 닫히는 그 대응하는 스위치로 하나씩 교정될 수 있다. 하나의 실시예에서, V_REF 스위치 및 R_S0 스위치는 이 교정 동안에 개방된다.

수학식들 10 내지 13을 참조하면, R_S/R_N 비율이 온도 추정에 있어서 훨씬 중요하다는 것이 명백하다. 따라서, 본 명세서에서 설명된 개시 내용의 일부로서, 이전에 설명된 바와 같이 써미스터 R_N 및 직렬 저항기들 R_S을 독립적으로 교정하는 대신에, R_S/R_N 비율을 교정된 R_N 값의 어떤 백분율(percentage) 내에 있도록 교정하는 것이 더욱 효율적이다. R_S가 R_N과 독립적으로 교정될 때, R_S의 저항은 예를 들어, 이전에 설명된 절차 후에, 0.1%의 정확도로 +/-5%를 넘어서 변동될 수 있다. R_N이 10%를 넘는 변동을 가지는 경우, R_S/R_N 비율은 최악의 경우에 0.1% 정확도로 +/-15% 변동될 수 있다. 0.1% 정확도로 그 타겟의 2% 내의 R_S/R_N의 비율에서와 같이, R_S가 교정될 때, 최악의 경우의 R_S/R_N 변동은 4% 이내가 되도록 보장된다(성능 저하는 이전에 설명된 써미스터 명목 저항 불확실성으로 인한 것이다). 변동이 더 낮을수록, 각각의 저항기 스위칭 영역에서 전압 범위의 더 많은 마진이 할당될 수 있고, 예를 들어, 더 적은 영역들이 주어진 전체 동작 온도 범위에 걸쳐 이어지도록 요구된다.

제 6 의 그리고 대체로 여분의 감지 저항기(도 9의 우측으로부터 세 번째)가 도 9의 온도 감지 회로(122) 내에 포함된다. 이 주로 여분의 감지 저항기는 "트레이닝(training)" 저항기라고 명시되고, 공장 교정 동안에 온도 감도를 최대화하기 위하여 주로 포함된다. 도 9에 도시된 실시예에 대하여, 트레이닝 저항기의 주파수에 대한 온도 감도는 트레이닝 저항기에 인접하게 (도면에) 위치된 명목 감지/바이어스 저항기들보다 대략 25% 더 높다. 따라서, 예측된 공장 교정 온도들 이상에서, 이 트레이닝 저항기의 감도는 최대이고, 그 값은 전체 크리스탈 공진기의 주파수 대 온도 교정(추후에 논의됨) 동안에 범위 스위칭을 회피하도록 선택되고, 기존의 공장 RF 튜닝 측정들과 인터리빙(interleaving) 된다. 일부 실시예들에서, 명목 감지 저항기들 중의 하나는 (온도 축을 따라) 위치되어, 더 추가적인 장점이 트레이닝 저항기로 달성될 수 없으며, 그러한 경우에, 트레이닝 저항기는 고려되지 않는다. 반대로, 감지 저항기 범위 전이가 예측된 공장 교정 온도 범위에 근접할 때, 그 이점들은 명백하다.

일부 실시예들에서, 다수의 R_sense 상태들은 병렬 저항기들로서 구현되는 반면, 다른 실시예들에서, 다수의 R_sense 상태들은 저항기들을 접속 또는 우회시키기 위한 스위치들을 갖는 직렬 저항기들로서 구현되고, 큰 튜닝 범위가 달성될 수 있다.

또한, 감지 저항기의 저항값(R_S)도 써미스터(105)에 비해 훨씬 더 느린 레이트이지만, 온도 상에서 변동된다(통상적으로 저항기의 저항 온도 계수 또는 t_CR이라고 지칭됨). 결과적으로, 실온으로부터 대체로 이동된 온도들에서 명목상으로 동작되는 모든 감지/바이어스 저항기들에 대하여, 그

(즉, R_Sense/R_N) 값은 특정한 감지 저항기의 명목 동작 온도 및 실온(즉, 측정이 수행되는 온도) 사이의 온도 차분 및 저항기의 t_CR을 설명하기 위하여 보상된다. 이러한 방식으로, 감지 저항이 실온에서 튜닝되었더라도, 명목 동작 조건들 하에서의 R_S/R_N 비율은 희망하는 (미보상된

) 값이다.

예시적인 실시예들에서, 온도 감지 회로의 교정은 셀룰러 기저대역의 교정과 병렬로 수행된다. 이 온도 감지 회로 교정의 지배적인 특성 시간은 제어기가 명령들을 제공하든지 또는 데이터를 요청하든지 간에, 테스트 장비 제어기 및 교정되는 이동 또는 전자 디바이스 사이의 통신이다. 특성 시간들의 전체 영향은 특정 교정 절차 시퀀스(sequence)에 의존한다는 것에 주목해야 한다. 이 목적을 위하여, 다음의 리스트는 예시적인 초기 온도 감지 회로 교정 시퀀스를 강조한다:

1. 온도 및 써미스터 저항 측정들을 위하여 테스트 장비 및 이동 디바이스를 구성함.

2. 온도 및 써미스터 저항 측정들을 실행함.

3. 측정된 온도 및 써미스터 저항 데이터로부터 써미스터 명목 저항을 계산함.

4. 튜닝되지 않은 감지 저항들을 측정함(N회 반복하고, N은 감지 저항기들의 수와 동일함).

5. i번째 감지 저항기 저항 측정을 위하여 테스트 장비 및 이동 디바이스를 구성함.

6. 감지 저항 측정을 실행함.

7. 계산된 써미스터 명목 저항에 기초하여 각각의 감지 저항기의 타겟 값을 계산함.

8. 그 각각의 측정된 그리고 타겟 값들에 기초하여 각각의 감지 저항기에 대한 튜닝 상태를 계산함.

9. 이동 디바이스가 각각의 감지 저항기의 튜닝 상태를 어써트(assert)하도록 지시함.

10. 튜닝된 감지 저항들을 측정함(N회 반복하고, N은 감지 저항기들의 수와 동일함).

11. i번째 감지 저항기 저항 측정을 위하여 테스트 장비 및 이동 디바이스를 구성함.

12. 감지 저항 측정을 실행함.

13. 증폭기 출력 오프셋 전압 측정을 위하여 테스트 장비 및 이동 디바이스를 구성함.

14. 이동 디바이스가 V_ADC 측정을 수행하고 결과를 테스트 장비 제어기에 송신할 것을 요청함.

15. 디지털 멀티미터(DMM : digital multimeter)에 의해 증폭기 출력 오프셋 전압 측정을 실행함.

16. 증폭기 이득 측정을 위하여 테스트 장비 및 이동 디바이스를 구성함.

17. 이동 디바이스가 V_ADC 측정을 수행하고 결과를 테스트 장비 제어기에 송신할 것을 요청함.

18. DMM에 의해 증폭기 이득 측정(즉, V_Sense 및 V_ADC의 DMM 측정)을 실행함.

19. 다음을 이동 디바이스에 송신하고 이동 디바이스가 저장하도록 지시함: 써미스터 명목 저항, 모든 튜닝된 감지 저항들, 증폭기 이득 및 증폭기 출력 전압 오프셋.

20. 명목 온도 감지 측정을 위하여 테스트 장비를 구성함.

21. 이동 디바이스가 명목 온도 추정을 수행하고 결과를 제어기에 송신하도록 지시함.

22. V_REF, V_Sense, 및 V_ADC(V_MUX라고도 알려짐) DMM 측정들을 실행하고 온도 추정을 계산함.

23. 제어기 및 이동 디바이스 온도 추정들을 비교하고 상태를 설정함(즉, 성공/실패).

24. 이동 디바이스에 온도 감지 회로 교정 완료 및 상태를 통신함.

논의 중인 온도 감지 회로(122)가 6개의 감지 저항들로 구성된다고 가정하면, 전체 교정 시간은 예를 들어, 약 2.5초일 것이다. 그러나, 일단 "최적" 절차가 확인되면, 하드웨어(HW) 구성 상태 시퀀스 및 각 HW 구성 상태에서의 체류 시간(dwell time)의 둘 모두는 그 이후에 대체로 변화되지 않는 상태로 유지된다. 결과적으로, 하나의 실시예에서, 테스트 장비 제어기 및 이동 디바이스 사이의 대부분의 통신은

초(second) 보다 추가적으로 유사하게 감소시키면서, IC 내에서, 온도 감지 회로 HW 구성 및 측정 시퀀서(sequencer)를 구현함으로써 제거될 수 있다. 이 시퀀서가 기존의 셀룰러 교정들과 병행하여 온도 감지 회로 교정을 수행하기 위해 이용되더라도, 이 테스트 시간은 바람직하다.

일단 써미스터 및 온도 감지 회로 감지 저항기들이 교정된다면, 테스트 고착물, 장비, 또는 이전에 설명된 시퀀서는 도 10에 도시된 바와 같이, 이득 및 오프셋의 교정을 계속하기 위하여 접속을 스위칭할 수 있다. 이 교정 동안에, V_REF 스위치는 개방된 상태로 남아있는 반면, R_S1은 접속된다. 도 3의 V_Sense 단자의 (V_Sense1 및 V_Sense2)에서의 전압값들이 인가되고, 대응하는 ADC 출력(V_ADC1 및 V_ADC2)이 판독 및 기록된다. 이득 및 오프셋 에러는 다음과 같이 연산될 수 있다.

일부 실시예들에서, 온도 감지 회로 교정들은 칩셋 내부 측정들 및 연산에 의해서만 달성될 수 있다.

본 개시 내용에 따른 멀티-저항기 온도 감지 회로(122)에 대한 설계 및 연관된 교정의 실시예를 설명하였으므로, 다음 단계는 개선된 크리스탈 공진기-기반 발진기의 주파수 온도 특성 곡선 맞춤(frequency temperature characteristic curve fitting)을 설명하는 것이다. 수학식 1에서 도시된 바와 같이, 크리스탈 공진기-기반 발진기의 주파수 편차는 3차 다항식 수학식에 의해 전형적으로 모델링된다. 상부 및 기반 발진기의 주파수 온도 특성 곡선 맞춤. 수학식 1에서 도시된 바와 같이, 크리스탈 공진기-기반 발진기의 주파수 편차는 3차 다항식 수학식에 의해 전형적으로 모델링된다. 주파수 편차의 상부 및 하부 경계가 크리스탈 제조업자들에 의해 보통 제공되지만, 온도의 함수인 진정한 주파수 편차는 유닛마다 대체로 변동될 수 있다. 특정한 제조업체의 크리스탈 특성들을 이해하기 위하여, 작은 대표적인 양의 샘플들이 제조업체로부터 보통 얻어지고, 특징되고, 상세하게 연구된다.

통상적인 관례에서, 3차 다항식 파라미터들(계수들)의 단일 세트는 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기 주파수 편차 대 온도를 ~30℃ 내지 85℃의 전체 온도 영역에 걸쳐 이어지는 일반적인 3차 다항식으로 맞추기 위하여 이용된다. 따라서, 이러한 기존의 모델이 본 출원에서 왜 부적당한지를 고려하는 것이 중요하다. 이 고려사항은 이 개시 내용의 더 초반에 확인되었던 2개의 핵심적이고 엄격한 GPS 시스템 요건들에 의해 지배된다:

이제, 하나의 실시예에서, 이 고려사항들은 온도 드리프트로부터의 그 절대적인 주파수 편차가 10 내지 15 ppm만큼 클 수 있는 자유-동작 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기(103)를 온도 보상하는 작업에 적용된다. 본 개시 내용의 이전의 멀티-R_Sense 온도 감지 회로 논의들 및 예시들이 예시하였지만, 1 m℃(즉, 섭씨 1000분의 1도(one milli-degree Centigrade)) 온도 감지 회로 반복성(repeatability)을 달성하는 것은 전적으로 실현가능하다. 이 능력은 거의 1000 ppb/℃의 후보 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기의 최대 주파수 슬루들과 양호하게 조절된다. ½℃/sec의 최대 이동 통신 시스템 온도 슬루들 및 ~500 Hz 온도 감지 회로 유효 샘플 레이트들과 결합된 이 능력은 최대 기준 발진기 불연속적인 단계가 크리스탈 공진기-기반의 기준 발진기(103)를 위한 훨씬 통상적인 고정된 파라미터의 일반적인 3차 다항식 맞춤들로 충족되는 것을 보장하는 것을 완전히 실현 가능하게 한다.

결과적으로, 절대 에러(absolute error)는 단일 세그먼트 맞춤에 있어서도 문제되지 않으며(즉, 전체 동작 온도 범위에 걸쳐 고정된 3차 다항식 파라미터들), 절대 에러는 +/-200 ppb 이상일 수 있다. 이 (상대적으로) 느리게 진화하는 에러들은 기존의 GPS 필터링 능력들에 의해 용이하게 추정되고 보상된다. 실제로, 진짜 우려사항은 최대 에러 누적 레이트이고, 이것은 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기 모델에 대하여 섭씨 온도 당 주파수 에러 누적의 측면에서 최적으로 표현되어 있으며(즉, 20 ppb/℃의 예시적인 값), 왜냐하면, 이 단위들이 주파수 대 온도의 모델에 대해 당연하고 주파수 대 온도의 미분과 동등하기 때문이다.

시스템 전망으로부터, 20 ppb/℃의 예시적인 최대 주파수 에러 누적값을, 다양한 주파수 에러 누적 소스들에 할당되는 GPS 시스템 버젯(budget) 전체라고 간주하는 것이 적절할 수 있고, 상기 주파수 에러 누적 소스들 중의 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기 모델은 버젯(budget)의 가장 좋은 배당분(lion's share)을 받는다. 예시적인 실시예에서, 크리스탈 모델에는 14 ppb/℃(전체 버젯의 70%)가 할당된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 통상적인 3차 모델은 도 11의 실선 곡선에 의해 예시된 바와 같이, 주파수 에러 누적 버젯을 일관되게 초과하는 것으로 밝혀져 있다.

이 상황은 14 ppb/℃ 주파수 에러 누적 할당을 만족시킬 뿐만 아니라, 전체 제조 크리스탈 주파수 대 온도 모델이 기존의 공장 RF 튜닝 및 교정 측정 열 프로파일에 필적하는 최소 공장 측정들로부터 분석적으로 추출될 수 있다는 것을 보장하는 방식으로 공식화될 수도 있는 3차 다항식 모델 개선들을 개발하기 위한 자극제가 되었다. 이 방향에서의 제 1 단계는 수학식 1의 일반적인 3차 다항식을, 2차 항이 다음에 의해 주어지는 바와 같이 억제되어 있는 오프셋 변수 T₀를 포함하는 형태로 변환하는 것이다.

이 공식은 카르단(Cardan)(1501-1576)에 기인하므로 새로운 것이 아니다. 사실상, 수학식 1의 파라미터들(p₀, p₁, p₂, 및 p₃) 및 수학식 20의 파라미터들(p₀', p₁', T, 및 p₃') 사이에는 일대일 대응관계가 있다. T_Offset 3차 다항식 공식은 수학식 1의 통상적인 (p₀, p₁, p₂, 및 p₃) 3차 다항식 공식에 비해 2개의 분명한 장점들을 가진다. 첫째, 주파수 대 온도 측정들에서는, 고유한 온도 바이어스(inherent temperature bias)가 있고, T_Offset 3차 다항식 공식을 사용함으로써, 이 불확실성을 설명하기 위하여 추가적인 변수가 요구되지 않는다. 이전에 표시된 바와 같이, (온도 감지 회로 및 써미스터 명목 저항이 충분한 정확도로 교정된다면) 써미스터(105) 교정된 정규화 저항 및 온도 오프셋 사이에서 우연한 (선형) 대응관계가 또한 있다. 이것은 써미스터 저항 및 온도 사이의 외견상 (강한) 비선형 관계에도 불구하고, Steinhart-Hart 수학식들(수학식들 2 및 3)에서 구체화된다.

T_Offset 3차 다항식 공식의 두 번째 분명한 장점은 온도(T)에 대한 그 미분이 포물선이고, 포물선은 T_Offset 둘레에서 대칭적이라는 것이다. 크리스탈 모델의 주파수-온도 파라미터 추출 측정들을 수행하고 또한, 상기한 주파수-온도 파라미터 추출 측정의 온도 측정 부분에 대해 온도 감지 회로(122)를 사용하기 전에, 써미스터 정규화 저항 및 전체 온도 감지 회로(122)를 (적절한 정확도로) 교정함으로써, 써미스터 정규화 저항 불확실성 및 온도 측정 바이어스는 단일 온도 바이어스 항으로 합성될 수 있고, 이것은 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기 3차 모델(분석적) 파라미터 추출 시에 T_Offset 항에 내장되게 되는 것으로 나타내어질 수 있다.

하나의 실시예에서, 구축된 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기 모델링 기술의 이 예비적 측면들에 의하여, 3차 (T_Offset 공식) 다항식 모델의 온도 종속적 파라미터 관계들을 구축함으로써 (통상적인 3차 다항식 모델에 대한) 추가적인 개선이 달성된다. 하나의 실시예에서, 다음과 같이 주어지는 바와 같이 진정한 (수치) 중심 차이인 근사적인 중심 미분은 전체 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기 대표 샘플 개체 특징화 데이터에 적용된다.

이하, 결과적인 데이터는 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기 대표 샘플 개체 차분 데이터 또는 차분 데이터로서 명시된다. 이하, (수학식 21의) 근사적인 중심 미분은 수치 중심 미분으로 명시된다. 또한, 수학식 20의 3차 (T_Offset 공식) 다항식 모델의 (정확한) 미분은 다음과 같이 주어진다.

이하, 3차 (T_Offset 공식) 다항식 모델의 이 (정확한) 미분은 (T_Offset 공식) 포물선 모델로서 명시된다. 샘플 개체의 각각의 샘플에 대한 샘플 데이터는 지금부터 특징화 데이터 세트 및 차분 데이터 세트로 구성된다.

다항식 방법으로 본 명세서에서 명시된, 주어진 파라미터의 온도-의존성을 인코딩하기 위한 하나의 기술은 다음과 같은 관심 대상 온도-의존적 파라미터를 인코딩함으로써 달성되고,

여기서,

는

파라미터의 온도-의존적 서브-파라미터(sub-parameter)들이라고 명시된다. 주어진 3차 다항식 파라미터의 온도-의존성을 결정하기 위한 기술들은 선형 회귀(linear regression), 다항식 회귀(polynomial regression), 주성분(principal component)들 등과 같은 방법들을 포함하지만, 이것으로 제한되지 않아야 한다. 또한, 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기의 샘플 개체 주파수 대 온도 데이터(크리스탈 샘플 주파수 도메인 데이터라고 명시됨), 크리스탈 샘플 주파수 도메인 데이터(크리스탈 샘플 차분(differential) 주파수 도메인 데이터라고 명시됨)의 수치 중심 미분, 또는 크리스탈 샘플 차분 주파수 도메인 데이터(크리스탈 샘플 이중(double) 차분 주파수 도메인 데이터라고 명시됨)의 수치 중심 미분 중의 어느 하나는 파라미터가 대응하는 모델(즉, 주파수 도메인에 대한 수학식 20의 3차 다항식 모델, 차분 주파수 도메인에 대한 수학식 22의 포물선 모델, 또는 이중 차분 주파수 도메인의 경우, 온도에 대해 수학식 22의 부분 미분을 취함으로써 얻어지는 선형 모델)에 존재하기만 하면, 3차 다항식 파라미터의 온도 의존성을 결정함에 있어서 이용될 수 있다.

하나의 실시예에서, 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기의 최종 온도-의존적 3차(T_Offser 공식) 모델은 3kdma의 형태를 취한다.

이 예시적인 온도-의존적 3차 모델에 대하여, 파라미터

는 파라미터들

사이의 상관(correlation)을 나타낸다. 또한, 수학식 24의 파라미터들

은 (그 수치 중심 미분들을 포함하는) 대표적인 샘플 개체 데이터를 이용하여 결정되고, 생산을 위하여, 그 후에 파라미터들

을 몇 개의(~4개 이하) 공장 주파수 및 온도 측정 쌍(pair)들로부터 분석적으로 추출되도록 고정된다. 적어도 하나의 실시예에서, 몇 개의 공장 주파수 및 온도 측정 쌍들은 셀룰러 시스템의 RF 튜닝 및 교정과 같은, 기존의 공장 측정들과 인터리빙된다.

또 다른 실시예에서, 전체 동작 온도 범위는 복수의 부분-온도 범위들로 분리된다. 또한, 부분-온도 범위들의 각각은 온도들의 서브-범위로 이루어지고, 이 서브-범위의 온도들은 인접한 부분-온도 범위들과 중첩한다. 집합적인 샘플 크리스탈 주파수 도메인 데이터, 샘플 크리스탈 차분 주파수 도메인 데이터, 이전에 정의되었던 샘플 크리스탈 이중 주파수 도메인 데이터를 이용하면, 고정된 파라미터 3차(T_Offset 공식) 모델들은 부분-온도 범위들의 각각에 대해 결정된다. 이 부분-온도 범위 고정된 파라미터 3차(T_Offset 공식) 모델들의 각각은 전이 함수들을 이용하여 멀티-범위 모델로 함께 결합된다.

하나의 실시예에서, 전이 함수들은 수학식 25에서 정의된 저역-통과(Low-pass), 대역-통과(Band-pass), 및 고역-통과(High-pass) 함수들과 같은 쌍곡선 탄젠트(hyperbolic tangent) 함수들로 구성된다:

대역-통과 함수에서, T_LP & T_HP의 역할들은 저역-통과 또는 고역-통과 함수들과 함께 이용될 때에 비해 반전된다는 것에 주목해야 한다. 또한, 파라미터 △T_Rise는 이 실시예에서와 같이 모든 전이 함수들에 대해 일반적으로 공통적이고, 각각의 전이 함수의 상승/하강 온도 기간들(즉, ℃에 있어서 10% 내지 90%)을 스케일링한다. 다른 전이 함수 기술들은 선형 전이들 및 룩업 테이블(look-up table)들을 포함하지만, 이것으로 제한되지 않는다. 최적 수행 전이 함수 실시예들은 전이 함수뿐만 아니라, (온도에 대한) 그 제 1 및 제 2 미분들도 연속 함수들인 것들이다.

하나의 실시예에서, 전체 동작 온도 범위는 3개의 부분-온도 범위들로 구성된다. 이 실시예에 대하여, 방법의 가능성 있는 모델들 중의 하나는 다음과 같이 주어진다.

검사에 의해, 수학식 26은 다음과 같이 간략화된다.

이 예시적인 멀티-온도 영역 3차 모델(수학식 26 및 수학식 27 중의 어느 하나)에 대하여, 수학식들 25 내지 27의 파라미터들은 생산 배치(production deployment) 이전에 바람직하게는, 대표적인 샘플 개체를 이용하여 결정된다. 생산을 위하여, 이 파라미터들(

)은 그 후에 고정되어, 파라미터들(

)을, 셀룰러 시스템의 RF 튜닝 및 교정과 같은, 기존의 공장 측정들과 보통 인터리빙되는 몇 개의(~4개 이하) 공장 주파수 온도 측정 쌍들로부터 분석적으로 추출되도록 한다.

냉온(cold) 및 열온(hot)에서의 다항식 계수들이 실온 계수들로부터 연산되는, 냉온/실온/열온에서의 예시적인 3개의 세그먼트들의 곡선 맞춤을 우히ㅏㄴ 주파수 에러 슬루가 도 11에 점선으로 도시되어 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 개선된 곡선 맞춤 설계를 갖는 주파수 에러 슬루는 -30℃로부터 85℃까지의 전체 온도 범위에 걸쳐 +/-5ppb/sec를 가진다.

온도 감지 회로 및 연관된 온도-주파수 보상 알고리즘들 외에도, 시간에 대한 모델의 진실성(veracity)을 더욱 개선시키기 위하여, 러닝 알고리즘(learning algorithm)이 이 개시 내용의 모델들 중의 임의의 것에 적용될 수 있다. 러닝 알고리즘은 정상적인 GPS 동작을 통해 온도 및 주파수 측정들을 수집하고, 곡선 맞춤 에러를 더욱 감소시키기 위하여, 큰 데이터 샘플들에 대해 다항식 파라미터드를 미세 튜닝한다.

일부 실시예들에서, 다수의 온도-주파수 쌍들은 곡선 맞춤 계수들을 추출하기 위하여 공장에서 측정될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 몇 개의 공장 주파수 및 온도 측정 쌍들은 셀룰러 시스템의 튜닝 및 교정과 같은 기존의 공장 측정과 인터리빙된다.

다른 실시예들에서, 크리스탈 공진기의 주파수 편차 대 온도 특성을 ywjd하는 것과 연관된 공장 테스트 시간을 최소화하기 위하여, 단일 공장 작업장(factory floor) XO 주파수 오프셋 측정이 수행되고, 시스템 메모리(1062)(도 13) 내에 기록된다. 이 단일 주파수-온도 측정 쌍은 셀프 러닝(self learning) 알고리즘과 함께 대체로 이용되고, 이 셀프 러닝 알고리즘은 GPS 온도 보상 알고리즘이 공유된 크리스탈 공진기의 특정 주파수 대 온도 특성들에 적응되도록 하고, 이것은 크리스탈 공진기-기반 발진기 유닛-대-유닛(unit-to-unit) 변동의 결과로 개체 평균(population mean)으로부터 벗어난다.

본 개시 내용에 따른 시스템의 하나의 실시예는 하이-Q(high-Q) 공진 커패시턴스 주파수 소스를 크리스탈 발진기(103)에 제공하도록 구성되고 미보상된 크리스탈 공진기(crystal resonator)(102); 대체로 반복가능하고 예측가능한 방식으로 온도의 함수로서 그 전기 저항이 변동되는 온도 센서(105); 및 셀룰러 시스템(101) 및 위성 위치확인 시스템(108)을 위한 기준 클록 주파수를 출력하도록 구성된 크리스탈 발진기(103)를 특별히 포함한다. 시스템은 셀룰러 RF 모듈(104) 내에서 기준 클록을 수신하고 셀룰러 통신 모듈(101)의 동작 동안에 셀룰러 수신된 다운링크 신호 및 셀룰러 LO 사이의 계산된 주파수 에러들을 보상하도록 구성된 프로그램가능 셀룰러 RF 위상 고정 루프(phase locked loop)(112); 기저대역 모듈(106)을 위한 상기한 셀룰러 계산된 주파수 에러에 기초하여 보상된 클록을 발생하도록 구성된 프로그램가능 셀룰러 기저대역 디지털 위상 고정 루프(110); 및 기준 클록 주파수를 수신하도록 구성되고, (온도 드리프트로부터의 에러를 포함하는) 기준 클록 주파수 에러 추정 신호들을 수신할 수 있으며 그 각각의 출력 신호들로부터의 추정된 주파수 에러의 효과를 대체로 상쇄시키는 방식으로 그 각각의 프로그래밍된 출력 신호들을 보상(즉, 오프셋(offset))할 수 있는 프로그램가능 GPS RF 위상 고정 루프(114) 및 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기(115)를 더 포함한다. 또한, 온도 감지 회로(122)는 상기한 온도 센서(105)에 의해 표시되는 바와 같이 크리스탈 온도에 대체로 비례하는 전압을 출력하도록 구성된다. 온도 감지 회로(122)는 저항성 분배 회로, 연산 증폭기(A), 피드백 및 전압 오프셋 저항기들, 및 아날로그-디지털 변환기(ADC : analog-to-digital converter)를 포함한다. 저항성 분배기 회로는 온도 센서(써미스터) 저항성 소자 및 복수의 스위칭된 감지/바이어스 저항기들로 더 구성된다.

분석적인 온도 센서(써미스터) 모델은 온도 감지 회로의 출력 전압 신호를 수신하고, 이 전압 신호를 온도 센서 저항 추정치로 맵핑하고, 온도 센서 저항 추정치를 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기 온도 추정치로 변환하도록 구성된다. 분석적인 크리스탈 기준 발진기 주파수 편차 대 온도 모델은 분석적인 온도 센서 모델의 온도 추정 신호를 수신하고, 그 다음으로, 이 온도 추정 신호는 교정된 온도-주파수 특성 곡선에 기초하고 있는 기준 발진기 주파수 편차 및 크리스탈 공진기 온도 사이의 일대일 맵핑을 통해 주파수 편차(즉, 이상적인 고정된 기준 주파수에 대한 에러) 추정치로 변환된다. GPS PLL(114) 및/또는 GPS NCO(115)는 주파수 편차 추정 신호를 수신하도록 구성되고, 그 각각의 출력 신호들로부터의 추정된 주파수 에러의 효과를 대체로 상쇄하는 방식으로 그 각각의 프로그래밍된 출력 신호들의 주파수 및/또는 위상을 보상(즉, 오프셋)할 수도 있고, 이에 따라, GPS 시스템(108)이 수신된 위성 신호들을 정확하게 프로세싱하기 위하여, GPS PLL(114) 및/또는 GPS NCO(115)가 대체로 온도 보상된 주파수 신호들을 출력하도록 한다.

다양한 실시예들에서, 시스템은 크리스탈 주파수 편차 대 온도를 맞추기 위한 곡선 맞춤의 다수의 세그먼트(segment)들을 더 포함할 수 있고, 각각의 세그먼트는 전체 동작 온도 범위에서 서브세트(subset)에 대응한다. 다양한 실시예들에서, 멀티-세그먼트된(multi-segmented) 온도-주파수-곡선 맞춤에서의 냉온 및 열온 다항식 계수들은 실온 다항식 계수들로부터 유도된다. 다양한 실시예들에서, 멀티-세그먼트된 곡선 맞춤은 충분한 마진(margin)을 갖는 GPS 주파수 슬루 요건을 충족시키기 위한 온도 보상 후에 곡선 맞춤으로부터의 잔여 주파수 에러의 슬루를 상당히 감소시킨다.

다양한 실시예들에서, 시스템은 크리스탈 주파수 편차 대 온도를 맞추기 위한 곡선 맞춤의 온도 의존적 다항식 계수들을 더 포함할 수 있다. (통상적인 모델에서와 같이 온도 범위에 대해 고정되는 대신에) 온도 의존적인 다항식 계수들은 몇 개의 공장 온도-주파수 측정 쌍들로부터 추출된 파라미터들과 함께 대표적인 샘플 개체 데이터를 이용하여 결정된다. 일부 실시예들에서, 이것은 세그먼트된 온도-주파수 곡선 맞춤과 합성될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 온도 보상 모듈(123)은 곡선 맞춤을 더 최적화할 수 있는 셀프 러닝 알고리즘과 함께 또는 셀프 러닝 알고리즘 없이 동작한다.

다양한 실시예들에서, 크리스탈 공진기-기반 발진기 회로(예를 들어, 크리스탈 공진기(102) 및 크리스탈 발진기(103))는 셀룰러 통신 모듈(101), GPS 모듈(108), 및 온도 보상 모듈(123)을 위해 자유롭게 동작하는 것이 허용된다. 다양한 실시예들에서, 온도 감지 회로(122)는 GPS 시스템(108) 내에 통합되고; GPS 시스템(108)의 외부에 있고; 셀룰러 시스템(101) 내에 통합되고, GPS는 분리된 프로세서이고; 셀룰러 시스템(101)의 외부에 있고, GPS는 분리된 프로세서이고; 셀룰러-GPS 콤보(combo) 시스템 내에 통합되고; 또는 셀룰러-GPS 콤보 시스템의 외부에 있다.

다양한 실시예들에서, 온도 감지 회로(122)는 다수의 감지 저항기들을 포함하고, 각각은 -30℃로부터 85℃까지의 전체 동작 온도 범위의 서브-세트(sub-set)를 포괄(cover)하도록 설계된다. 온도 감지 회로(122)에서의 다수의 감지 저항기들은 전압 분배기에서 로우(low) 전압 위치(즉, 접지에 근접함)에 있을 수 있거나, 전압 분배기에서 하이(high) 전압 위치(즉, V_REF에 근접함)에 있을 수 있다.

다양한 실시예들에서, 온도 감지 회로(122)는 그 이력에서 임피던스 버퍼를 갖는 ADC를 포함하고; 그 입력에서 임피던스 버퍼를 갖지 않는 ADC를 포함하고; 단위 이득 증폭기(A)보다 큰 임피던스 버퍼를 포함하고; 단위 이득 증폭기(A)를 갖는 임피던스 버퍼를 포함하고; 일정한 이득 대 온도를 가지는 이득 증폭기(A)를 포함하고; 가변 이득 대 온도를 가지는 이득 증폭기(A)를 포함하고; 그 입력에서 전압 오프셋을 갖는 ADC를 포함하고; 및/또는 그 입력에서 전압 오프셋을 갖지 않는 ADC를 포함한다. 다양한 실시예들에서, 온도 감지 회로(122)에서의 ADC는 2개의 인접한 온도 서브-영역들 사이의 오버 샘플링(over sampling) 및 디더링(dithering)과 함께, 또는 오버 샘플링 및 디더링 없이 동작한다.

다양한 실시예들에서, 온도 감지 회로(122)에서의 전압 오프셋은 일정한 오프셋 대 온도일 수 있거나, 가변적인 오프셋 대 온도일 수 있다. 다양한 실시예들에서, 온도 감지 회로(122)를 위한 교정은 통합된 제어 시퀀서(control sequencer)와 함께 또는 통합된 제어 시퀀서 없이 공장에서 수행된다. 다양한 실시예들에서, 온도 감지 회로(122)는 -30℃로부터 85℃까지의 전체 동작 온도 범위에 걸쳐 섭씨 1000분의 1도 분해능(1 milli-degree Centigrade resolution)(~1 ppb 주파수 분해능)을 충족시키기 위하여 SNR 및 감도를 상당히 연장시킨다. 또한, 그 차분 함수들을 갖거나 갖지 않는 다항식 함수의 온도-오프셋 공식은 다양한 실시예들에서, 크리스탈의 온도-주파수 관계를 맞추기 위하여 곡선 파라미터들을 추출하기 위해 사용될 수 있다. 온도 의존성을 갖고 있고 온도 의존성을 갖지 않는 다항식 파라미터들은 일부 실시예들에서, 크리스탈의 온도-주파수 관계를 맞추기 위해 사용될 수도 있다. 다른 실시예들에서, 멀티-영역 모델들은 전이 함수들을 이용하여 합성된다.

다양한 실시예들에서, 온도 감지 회로(122) 내의 저항기 어레이(resistor array)는 트레이닝 저항(training resistance)과 함께 또는 트레이닝 저항 없이 동작하거나; 중첩 영역(프로세스 변동으로부터 분리됨)과 함께 또는 중첩 영역 없이 동작하거나; 또는 중첩 히스테리시스(overlap hysteresis)와 함께 중첩 히스테리시스 없이 동작한다. 다양한 실시예들에서, 온도 감지 회로(122) 내의 저항기 어레이는 교정된 써미스터 명목 저항값에 대해 타겟 값으로 튜닝된 그 저항값과 함께, 또는 그 저항값 없이 동작한다.

다음으로, 본 개시 내용에 따른 시스템의 하나의 실시예는, 하이-Q 공진 주파수 소스를 크리스탈 발진기(103)에 제공하도록 구성되고 미보상된 크리스탈 공진기(102); 대체로 반복가능하고 예측가능한 방식으로, 그 전기 저항이 온도의 함수로서 변동하는 온도 센서(105); 셀룰러 시스템(101) 및 위성 위치확인 시스템(108)을 위한 기준 클록 주파수를 출력하도록 구성된 크리스탈 발진기(103); 셀룰러 RF 모듈(104) 내에서 기준 클록을 수신하고, 셀룰러 RF 모듈(104)의 동작 동안에 셀룰러 수신된 다운링크 신호 및 셀룰러 LO 사이의 계산된 주파수 에러들을 보상하도록 구성된 프로그램가능 셀룰러 RF 위상 고정 루프(112); 기저대역 모듈들(10)에 대한 상기한 셀룰러 계산된 주파수 에러에 기초하여 보상된 클록을 발생하도록 구성된 프로그램가능 셀룰러 기저대역 디지털 위상 고정 루프(110); 온도 보상 모듈(123), 상기한 온도 센서(105)에 의해 표시된 바와 같이 크리스탈 온도에 대체로 비례하는 전압을 출력하도록 구성된 온도 감지 회로(122); 온도 감지 회로의 출력 전압(또는 전류/저항) 신호를 수신하고 이 전압(또는 전류) 신호를 온도 센서 저항 추정치에 맵핑하고, 온도 센서 저항 추정치를 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기 온도 추정치로 더욱 변환하는 분석적인 온도 센서(써미스터) 모델; 분석적인 온도 센서 모델의 온도 추정 신호를 수신하고, 그 다음으로, 이 추정 신호는 교정된 온도-주파수 특성 곡선에 기초하는 기준 발진기 주파수 편차 및 크리스탈 공진기 온도 사이의 일대일 맵핑을 통해 주파수 편차(즉, 이상적인 고정된 기준 주파수에 대한 에러) 추정치로 변환되도록 구성된 분석적인 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기 주파수 편차 대 온도 모델; 기준 클록 주파수를 수신하도록 구성되고, 기준 클록 주파수 에러 추정 신호들(온도 드리프트로부터의 에러)을 수신할 수 있으며 그 각각의 출력 신호들로부터 추정된 주파수 에러의 효과를 대체로 상쇄하는 방식으로 그 각각의 프로그램된 출력 신호들을 보상(즉, 오프셋)할 수 있는 DCXO(또는 전압-제어된 발진기(VCO : voltage-controlled oscillator)); 및 온도 보상된 기준 클록을 DCXO로부터 GPS로 기준 주파수 신호로서 버퍼링하기 위한 클록 버퍼를 특별히 포함하고, 이에 따라, GPS 시스템(108)이 수신된 위성 신호들을 정확하게 프로세싱하는 것을 가능하게 한다.

다양한 실시예들에서, 온도 감지 회로(122)는 저항성 분배기 회로, 연산 증폭기(operational amplifier)(A), 피드백 저항기들, 전압 오프셋 저항기, 및 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함한다. 저항성 분배기 회로는 온도 센서(써미스터) 저항성 소자 및 복수의 스위칭되는 감지 저항기들로 더욱 구성된다.

다음으로, 본 개시 내용에 따른 시스템의 하나의 실시예는, 하이-Q 공진 주파수 소스를 크리스탈 발진기(103)에 제공하도록 구성되고 미보상되는 크리스탈 공진기(102); 대체로 반복가능하고 예측가능한 방식으로 그 전기 저항이 온도의 함수로서 변동되는 온도 센서(105); 위성 위치확인 스탠드얼론 시스템(108)을 위한 기준 클록 주파수를 출력하도록 구성된 크리스탈 발진기(103); 기준 클록 주파수를 수신하도록 구성되고, (온도 드리프트로부터의 에러를 포함하는) 기준 클록 주파수 에러 추정 신호들을 수신할 수 있으며, 그 각각의 출력 신호들로부터 추정된 주파수 에러의 효과를 대체로 상쇄시키는 방식으로 그 각각의 프로그램된 출력 신호들을 보상(즉, 오프셋)할 수 있는 프로그램가능 GPS RF 위상 고정 루프(114) 및 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기(115); 상기한 온도 센서(105)에 의해 표시된 바와 같이 크리스탈 온도에 대체로 비례하는 전압(또는 전류/저항)을 출력하도록 구성된 온도 감지 회로(122); 온도 감지 회로의 출력 전압 신호를 수신하고, 이 전압 신호를 온도 센서 저항 추정치에 맵핑하고, 온도 센서 저항 추정치를 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기 온도 추정치로 더욱 변환하는 분석적인 온도 센서(써미스터) 모델; 분석적인 온도 센서 모델의 온도 추정 신호를 수신하고, 그 다음으로, 이 추정 신호는 교정된 온도-주파수 특성 곡선에 기초하는 기준 발진기 주파수 편차 및 크리스탈 공진기 온도 사이의 일대일 맵핑을 통해 주파수 편차(즉, 이상적인 고정된 기준 주파수에 대한 에러) 추정치로 변환되도록 구성된, 분석적인 크리스탈 공진기-기반 기준 발진기 주파수 편차 대 온도 모델을 특별히 포함한다.

다양한 실시예들에서, 온도 감지 회로(122)는 저항성 분배기 회로, 연산 증폭기(A), 피드백 저항기들, 전압 오프셋 저항기, 및 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함한다. 저항성 분배기 회로는 온도 센서(써미스터) 저항성 소자 및 복수의 스위칭되는 감지 저항기들로 더욱 구성된다. 다양한 실시예들에서, 온도 드리프트로 인한 주파수 에러는 DCXO 또는 VCO를 통해 보상될 수도 있다.

다음으로, 본 개시 내용에 따른 방법의 하나의 실시예는, 크리스탈 발진기(103)를 셀룰러 모듈(101) 내의 (미보상되는) 크리스탈 공진기(102)와 결합하는 것; 셀룰러 모듈(101) 내의 크리스탈 발진기(103)로부터 기준 신호를 수신하는 것; 셀룰러 RF 위상 고정 루프(112) 및 셀룰러 기저대역 PLL(110)에 의해, 셀룰러 모듈(101)의 동작 동안에 수신된 셀룰러 다운링크 신호 및 셀룰러 LO 사이의 계산된 주파수 에러들을 보상하는 것; 위성 위치확인 시스템(GPS) 모듈(108) 내의 크리스탈 발진기(103)로부터 기준 신호를 수신하는 것; 및 GPS RF PLL(114)에 의해 또는 GPS BB NCO(115)에 의해, 온도 감지 회로 출력 및 교정된 온도-주파수 특성 곡선에 기초하여 전체 동작 온도 범위에 걸쳐 GPS 모듈(108)의 동작 동안에 온도 드리프트로 인한 계산된 주파수 에러들을 보상하는 것을 특별히 포함한다.

다양한 실시예들에서, 방법은 전압 분배기를 통해 써미스터로부터의 온도를 전압으로 변환하는 것을 더 포함하고, 전압 분배기가 닫힌 위치(들)에 있는 저항기(들)에 접속되도록, 각각의 저항기를 개방 또는 닫힌 위치에서 제어하기 위하여 저항기 어레이는 스위치들을 가진다. 일부 실시예들에서, 전압 분배기 대신에, 저항성 분배기 또는 전류 분배기가 이용될 수 있다.

어레이 내의 저항기들에 대한 저항값은 -30℃ 내지 85℃에 걸쳐 그 대응하는 서브-온도 영역에 대해 최적화된다. 공장 교정 후의 최악의 경우의 프로세싱 변동 및 불확실성 하에서 2개의 인접한 온도 영역들 사이에서 온도 갭(temperature gap)을 전혀 보장하지 않기 위하여, 각각의 스위칭 포인트(switching point)에서의 온도의 최소 중첩이 할당된다.

다양한 실시예들에서, 방법은 이득 증폭기와 함께 또는 이득 증폭기 없이, 그리고 ADC 이전의 전압 오프셋과 함께 또는 ADC 이전의 전압 오프셋 없이, ADC를 통해 감지 전압을 디지털 판독치들로 변환하는 것을 더 포함한다. 이득은 전체 온도 범위를 통해 일정할 수 있거나 가변적일 수 있다. 전압 오프셋은 전체 온도 범위를 통해 일정할 수 있거나 가변적일 수 있다. 다양한 실시예들에서, 방법은 감지/바이어스 저항값(R_S) 및 써미스터 정상 저항값(R_N)의 비율(즉, R_S/R_N)을 공장 내의 특정 타겟으로 튜닝하는 것; 및 교정 시간을 감소시키기 위하여, 시퀀서(sequencer)로 저항기 어레이 내의 모든 저항기들에 대한 감지/바이어스 저항 및 측정을 튜닝하는 것을 더 포함한다.

다양한 실시예들에서, 방법은 냉온(cold temperature)에서의 온도-주파수 곡선 맞춤 계수들 및 실온(room temperature)에서의 계수들 사이의 관계를 특징화하는 것; 대표적인 크리스탈 샘플들의 작은 세트에 기초하여 열온(hot temperature) 및 실온에서의 온도-주파수 곡선 맞춤 계수들 사이의 관계를 특징화하는 것; 공장 교정 동안에 주파수-온도 측정들의 세트에 기초하여 실온에 대한 온도-주파수 곡선 맞춤 계수들을 추출하는 것; 크리스탈 샘플들의 작은 세트에 대한 연구를 통해 얻어진 특징화 및 실온 계수들에 기초하여 냉온 및 열온에 대한 온도-주파수 맞춤 계수들을 연산하는 것; 및 온도에 걸친 크리스탈 공진기(102)의 크리스탈 주파수 편차를, 각 세그먼트가 -30℃로부터 85℃까지의 서브-온도 영역에 대응하는 다수의 다항식 세그먼트들을 갖는 모델로 맞추는 것을 더 포함한다.

공동-통합된 기준 크리스탈 발진기 시스템들의 어떤 실시예들 및 부품들을 설명하였으므로, 도 12의 순서도에 예시된, 기준 크리스탈 공진기(102)를 공유하는 하나의 방법은 셀룰러 모듈(101) 내의 크리스탈 발진기(103)로부터 기준 클록을 수신하는 것(1102), 및 셀룰러 모듈(101)의 동작 동안에 크리스탈 주파수를 변화시키지 않으면서 셀룰러 RF 및 BB에서 수신된 셀룰러 다운링크 신호 및 셀룰러 LO 신호 사이의 계산된 주파수 에러들을 보상하는 것(1104)을 포함한다. 또한, 크리스탈 발진기(103)로부터의 기준 클록은 위성 위치확인 시스템(GPS) 모듈(108) 내에서 또한 수신된다(1106). GPS 모듈(108)에 대하여, 크리스탈 온도 드리프트로 인한 주파수 에러는 온도 감지 회로(122), 멀티-세그먼트된(multi-segmented) 크리스탈 온도-주파수 특성 곡선, 및 크리스탈 공진기(102)의 전체 동작 온도 범위에 걸친 연관된 온도 보상 알고리즘(들)에 기초하여 (GPS 또는 셀룰러 소프트웨어/펌웨어를 통해) 계산되고 (GPS 또는 셀룰러 소프트웨어/펌웨어를 통해) 보상된다(1108). 이 보상은 GPS Rx PLL(114), GPS BB NCO(115), 또는 둘 모두에서 수행될 수 있고, 크리스탈 공진기(102)는 이 실시예에서 완전히 자유롭게 동작하는 상태가 된다. 또한, DCXO 또는 VCO를 통해 크리스탈에서의 온도 드리프트로 인한 주파수 에러를 보상하는 것이 가능하고, 크리스탈 발진기의 주파수는 셀룰러 AFC로부터가 아닌, 온도 보상 알고리즘에 의해서만 정정된다. 임의의 잔류 주파수 에러 및 주파수 에러의 나머지 소스들은 전체 동작 온도 범위에 걸친 수신된 GPS 신호 및 (크리스탈 발진기(103)로부터의 기준 클록에 기초한) GPS LO의 주파수 측정 판독들에 기초하여 계산되고 보상된다(1110).

다음으로, 도 13의 순서도에서, 기준 크리스탈 공진기(102)를 공유하는 하나의 실시예는 전압 또는 디지털 제어 크리스탈 발진기를, 미보상되는 크리스탈 공진기(102)와 결합하는 것(1120); 셀룰러 모듈(101) 내의 크리스탈 발진기(103)로부터 기준 신호를 수신하는 것(1130); 셀룰러 RF 위상 고정 루프(112) 및 셀룰러 기저대역 PLL(110)에 의해, 셀룰러 모듈(101)의 동작 동안에 수신된 셀룰러 다운링크 신호 및 셀룰러 LO 사이의 계산된 주파수 에러들을 보상하는 것(1140); 전압 제어된 또는 디지털 제어된 크리스탈 발진기에 의해, 온도 감지 회로 출력 및 교정된 온도-주파수 특성 곡선에 기초하여 전체 동작 온도 영역에 걸쳐 GPS 모듈(108)의 동작 동안에 온도 드리프트로 인한 계산된 주파수 에러들을 보상하는 것(1150)을 포함한다.

다양한 실시예들에서, 방법은 크리스탈 발진기(103)를 GPS 모듈(108)에서의 미보상된 크리스탈 공진기(102)와 결합하는 것; GPS 모듈(108) 내의 크리스탈 발진기(103)로부터 기준 신호를 수신하는 것; 및 GPS RF PLL(114)에 의해 또는 GPS BB NCO(115)에 의해, 온도 감지 회로 출력 및 교정된 온도-주파수 특성 곡선에 기초하여 전체 동작 온도 영역에 걸친 GPS 모듈(108)의 동작 동안에 온도 드리프트로 인한 계산된 주파수 에러들을 보상하는 것을 더 포함한다.

지금부터 도 14를 참조하면, 크리스탈 공진기(102)를 공유하기 위한 방법의 하나의 실시예는 대표적인 크리스탈 샘플들의 작은 세트에 기초하여, 냉온에서의 온도-주파수 곡선 맞춤 계수들 및 실온에서의 온도-주파수 곡선 맞춤 계수들 사이의 관계를 특징화하는 것(1160); 열온에서의 온도-주파수 곡선 맞춤 계수들 및 실온에서의 온도-주파수 곡선 맞춤 계수들 사이의 관계를 특징화하는 것(1170); 공장 교정 동안에 주파수-온도 측정들의 세트에 기초하여 실온에 대한 온도-주파수 곡선 맞춤 계수들을 추출하는 것(1180); 대표적인 크리스탈 샘플들의 작은 세트에 대한 연구를 통해 얻어진 특징화 관계들 및 실온 계수들에 기초하여 냉온 및 열온에 대한 온도-주파수 맞춤 계수들을 연산하는 것(1190); 및 온도에 걸친 크리스탈의 크리스탈 주파수 편차를, 각 세그먼트가 (예를 들어, -30℃로부터 85℃까지의) 서브-온도 영역에 대응하는 다수의 다항식 세그먼트들을 갖는 모델로 맞추는 것(1195)을 포함한다.

다음으로, 도 15를 참조하면, 도면은 본 개시 내용의 실시예에 따라, 공동-통합된 기준 크리스탈 발진기(CRCO : co-integrated reference crystal oscillator) 시스템(1058) 및 온도 감지 회로(1059)를 포함하는 예시적인 통신 디바이스를 예시한다. 통신 디바이스는 예시를 위하여 이용되고 있지만, CRCO(1058)은 전자 디바이스 또는 패키지의 임의의 유형에서 사용될 수 있다. 통신 디바이스(1002)는 안테나(1052), 셀룰러 송신기 및/또는 수신기 모듈(Tx/Rx)(1054)(예를 들어, 셀룰러 시스템(101)), 프로세서(1060), GPS 시스템(1061)(예를 들어, GPS 시스템(108)), 메모리(1062), 아날로그-디지털 변환기(ADC)(1064), CRCO(1058)(예를 들어, 크리스탈 공진기(102) 및 크리스탈 공진기(103)), 온도 감지 회로(1059)(예를 들어, 온도 감지 회로(122)), 온도 센서(1063)(예를 들어, 온도 센서(105)), 디스플레이(1006), 사용자 제어부들(1008), 스피커(1004), 및 마이크로폰(microphone)(1010)을 포함할 수 있다.

안테나(1052)는 무선 신호들을 송신 및/또는 수신하기에 적합할 수 있다. 단일 안테나가 예시되어 있지만, 실시예들은 그렇게 제한되지 않는다. 이와 관련하여, Tx/Rx(1054)는 송신 및 수신을 위한 공통 안테나를 사용할 수 있고, 송신 및 수신을 위하여 상이한 안테나들을 사용할 수 있고, 및/또는 송신 및/또는 수신을 위하여 복수의 안테나들을 사용할 수 있다.

공동-통합된 기준 크리스탈 발진기 시스템(CRCO)(1058)은 하나 이상의 발진 신호들을 발생하도록 동작가능할 수 있는 크리스탈 및 적당한 로직, 회로, 및/또는 코드를 포함할 수 있다. 또한, CRCO(1058)는 시간 및/또는 온도 변동들에 걸쳐 발생된 발진 신호들의 주파수의 결정을 가능하게 할 수 있는 하나 이상의 신호들 및 데이터를 제공할 수 있다.

일부 실시예들에서, CRCO(1058)는 크리스탈 발진기 회로를 실현하기 위하여 하나 이상의 외부 부품들에 결합될 수 있다. 다른 실시예들에서, CRCO(1058)는 크리스탈 발진기 회로를 실현하기 위하여, 크리스탈 공진기(102)에 결합된 하나 이상의 능동(active) 및/또는 수동(passive) 부품들을 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, CRCO(1058)는 크리스탈 공진기(102) 외에 외부 부품들 없이 발진 신호를 발생할 수 있다. 하나의 실시예에서, 온도 센서(1063)(예를 들어, 써미스터)는 주파수 측정들을 계산하기 위하여 이용될 수 있는 온도 판독들을 제공하기 위하여, CRCO(1058)와 통합된다. 대안적인 실시예들에서는, 외부 온도 센서(1063)가 사용될 수 있다.

주파수 합성기(1056)는 하나 이상의 발진 신호들을 발생하도록 동작가능할 수 있는 적당한 로직, 회로, 및/또는 코드를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 주파수 합성기(1056)는 크리스탈 발진기 회로를 실현하기 위하여, CRCO(1058)의 xtal+ 및 xtal- 단자들에 결합될 수 있는 능동 및/또는 수동 부품들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 주파수 합성기는 예를 들어, 정수-N PLL, 분수-N PLL, 및/또는 직접 디지털 주파수 합성기(DDFS : direct digital frequency synthesizer)를 포함할 수 있다. 크리스탈 발진기 회로의 출력은 PLL 및/또는 DDFS에 결합될 수 있고 기준 주파수를 PLL 및/또는 DDFS에 제공할 수 있다.

도 15에 도시된 예시적인 실시예에서, 주파수 합성기(1056)는 별개의 블록으로 도시되어 있지만, 실시예들은 그렇게 제한되지 않는다. 다양한 실시예들에서, 주파수 합성기(1056)의 일부 또는 전부는 Tx/Rx(1054)에 통합될 수 있다.

Tx/Rx(1054)는 다양한 무선 프로토콜들을 사용하여 신호들을 송신 및/또는 수신하도록 동작가능할 수 있는 적당한 로직, 회로, 인터페이스들, 및/또는 코드를 포함할 수 있다. 통신 디바이스(1002)에 의해 사용되는 예시적인 통신 무선 프로토콜들은 다양한 셀룰러 프로토콜들, WiMAX, 블루투스, Wi-Fi, DVB-H/S/T(디지털 비디오 브로드캐스팅(digital video broadcasting)-핸드헬드(handheld)/위성(satellite)/지상파(terrestrial)), GNSS(global navigation satellite system : 위성 항법 시스템), 브로드캐스트 라디오, 및 브로드캐스트 텔레비전을 포함할 수 있다. Tx/Rx(1054)는 증폭, 하향-변환(down-conversion), 필터링, 복조, 및 수신된 신호들의 아날로그-디지털 변환을 수행하도록 동작가능할 수 있다. Tx/Rx(1054)는 증폭, 상향-변환(up-conversion), 필터링, 변조, 및 송신될 신호들의 디지털-아날로그 변환을 수행하도록 동작가능할 수 있다. 다양한 실시예들에서, Tx/Rx(1054)는 주파수 합성기(1056) 및/또는 CRCO(1058)로부터의 하나 이상의 기준 주파수들을 사용할 수 있다.

프로세서(1060)는 통신 디바이스(1002)의 프로세싱 데이터 및/또는 제어 동작들을 가능하게 할 수 있는 적당한 로직, 회로, 인터페이스들, 및/또는 코드를 포함할 수 있다. 프로세서(1060)는 제어 신호들을 통신 디바이스(1002)의 다양한 다른 부분들에 제공하고 통신 디바이스(1002)의 다양한 다른 부분들로부터 제어 신호들을 수신하는 것이 가능하게 될 수 있다. 프로세서(1060)는 통신 디바이스(1002)의 다양한 부분들 사이의 데이터의 전달들을 제어할 수 있다. 이와 관련하여, 프로세서(1060)는 통신 디바이스(1002)에서의 메모리들 및/또는 제어 레지스터(register)들로의 판독들 및 기록들을 제어할 수 있다. 또한, 프로세서(1060)는 애플리케이션 프로그램들 및/또는 코드의 실행을 가능하게 할 수 있다. 애플리케이션들, 프로그램들, 및/또는 코드는 예를 들어, 데이터의 프로세싱, 통신 디바이스(1002)의 부분들의 구성, 및/또는 통신 디바이스(1002)의 제어 동작을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(1060)는 데이터 및/또는 제어 신호들의 수학적 및 논리적 처리들을 수행하기 위한 복수의 레지스터들 및 산술 및 논리 유닛(ALU : arithmetic and logic unit)을 포함할 수 있다.

메모리(1062)는 통신 디바이스(1002)의 동작을 달성할 수 있는 파라미터들 및/또는 코드를 포함하는 정보를 저장하도록 동작가능할 수 있는 적당한 로직, 회로, 및/또는 코드를 포함할 수 있다. 저장된 정보는 수신된 데이터 및/또는 제시될, 송신될, 및/또는 그렇지 않을 경우에는 프로세싱될 데이터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 데이터 스트림들 중의 하나 이상의 수신된 부분들은 메모리(1062) 내에 버퍼링될 수 있다. 파라미터들은 구성 데이터를 포함할 수 있고 코드는 소프트웨어 및/또는 펌웨어와 같은 동작 코드를 포함할 수 있지만, 정보는 이와 관련하여 제한될 필요가 없다. 다양한 실시예들에서, 메모리(1062)는 CRCO(1058) 및/또는 온도 감지 회로(1059)의 거동(behavior)을 특징화하는 데이터를 저장할 수 있다.

ADC(1064)는 아날로그 신호들을 디지털 표현으로 변환하도록 동작가능할 수 있는 적당한 로직, 회로, 인터페이스들 및/또는 코드를 포함할 수 있다. 이와 관련하여, ADC(164)는 예를 들어, 샘플 클록에 의해 특정된 시간들에서 아날로그 신호를 샘플링 및 양자화할 수 있다. 다양한 실시예들에서, ADC(1064)는 하나 이상의 직렬 또는 병렬 비트들의 디지털 신호들을 발생할 수 있다.

온도 감지 회로(1059)는 본 개시 내용에 따라 GPS 시스템 하드웨어의 PLL 및/또는 수신기 채널 디지털 클록들을 보상하여 CRCO(1058)의 자유-동작 크리스탈의 전체 온도 변동 범위에 걸쳐 위성 로크(satellite lock)를 유지하기 위하여, 온도 센서(1063)와 함께 사용될 수 있다. 온도 감지 회로(1059)는 GPS 시스템에 의해 이용되는 클록 신호들에서의 주파수 에러들을 검출, 정정, 및/또는 보상하도록 동작가능할 수 있는 하드웨어 및 적당한 로직, 회로, 및/또는 코드(예를 들어, GPS 소프트웨어(118, 120))를 포함할 수 있다.

디스플레이(1006)는 시각적 정보를 통신 디바이스(1002)의 사용자에게 제공하고 및/또는 통신 디바이스(1002)의 사용자에 의한 상호작용을 가능하게 하도록 동작가능할 수 있는 적당한 로직, 회로, 인터페이스들 및/또는 코드를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 그래픽 사용자 인터페이스는 디스플레이(1006)를 통해 제공될 수 있다. 이동 통신 디바이스(1002)의 사용자 인터페이스는 콘텐츠(content)를 수신하기 위한 희망을 가질 수 있는 소스(source) 또는 소스들을 선택하도록 사용될 수 있다. 통신을 위해 사용될 주파수 및/또는 무선 표준은 사용자 입력에 기초하여 선택될 수 있다. 따라서, 이러한 사용자 입력에 기초하여, 주파수 합성기(1056) 및/또는 Tx/Rx(1054)는 조절 및/또는 구성될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 비디오, 이미지들, 및 텍스트와 같은 시각적 매체 콘텐츠는 디스플레이(1006)를 통해 제공될 수 있다.

사용자 제어부들(1008)은 통신 디바이스(1002)에 의해 취급되는 서비스들 및/또는 콘텐츠를 제어하기 위하여 통신 디바이스(1002)와의 사용자 상호작용을 가능하게 하도록 동작가능할 수 있다. 사용자 제어부들(1008)은 예를 들어, 키패드(keypad), 키보드(keyboard), 롤러 볼(roller ball), 다방향성 버튼(multidirectional button), 스크롤 휠(scroll wheel)들, 및/또는 터치 스크린을 포함할 수 있다.

스피커(1004)는 오디오 정보(audio information)를 사용자에게 제공하도록 동작가능할 수 있다. 스피커는 전화 호출(phone call)로부터의 음성 및/또는 통신 디바이스에 의해 재생되는 음악 또는 링톤(ringtone)들을 제공할 수 있다. 마이크로폰(1010)은 음향 신호(acoustic signal)들을 전자 신호들로 변환하도록 동작가능할 수 있다. 마이크로폰은 구두 입력(oral input)을 통해 사용자가 전화 호출에 참여하고 및/또는 통신 디바이스와 상호작용하는 것을 가능하게 할 수 있다.

동작 시에, 통신 디바이스(1002)의 다양한 기능들 및/또는 부분들은 CRCO(1058) 및 주파수 합성기(1056)에 의해 발생된 기준 주파수를 사용할 수 있다. 그러나, 기준 주파수는 예를 들어, 시간 및/또는 온도와 함께 변화할 수 있다. 또한, CRCO(1058)에서의 온도 표시들 및/또는 주파수 변화들과 연관된 히스테리시스가 있을 수 있다. 따라서, CRCO(1058)의 생산 동안에, CRCO(1058)의 거동을 특징화하는 데이터는 CRCO(1058) 또는 메모리(1062)에 저장될 수 있다. 일부 실시예들에서, 데이터는 CRCO(1058) 자체의 특징화 및/또는 측정으로부터 나올 수 있다. 다른 실시예들에서, 데이터는 CRCO(1058)의 거동을 나타낼 수 있는, 동일한 생산 운전(run) 또는 로트(lot)로부터의 CRCO와 같은, 하나 이상의 다른 CRCO들의 특징화로부터 나올 수 있다.

특징화 데이터는 시간 및/또는 온도에 걸쳐 CRCO(1058)의 거동에 있어서의 변동들을 보상하기 위하여 통신 시스템(1002)의 부분들을 구성 및/또는 제어하도록 사용될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 통신 디바이스(1002)의 동작 동안에, 프로세서(1060)는 CRCO(1058)로부터 메모리(1062)로 특징화 데이터를 복사할 수 있다. 추후에, 프로세서(1060)는 복사된 데이터 및 수신된 온도 표시에 기초하여 GPS 시스템 또는 모듈(1061)과 함께 작동하는 송신기/수신기를 구성하기 위하여 하나 이상의 제어 신호들을 발생할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(1060)는 GPS 시스템(1061)에서 PLL의 주파수 분배기를 구성할 수 있다. 다른 실시예들에서, 프로세서(1060)는 데이터를 메모리(1062)에 복사하지 않을 수 있지만, 필요에 따라, CRCO(1058)로부터 데이터를 판독할 수 있다. 또한, 프로세서(1060)는 온도 드리프트와 연관된 주파수 에러를 추정하기 위하여 감지 회로(1059)로부터의 아날로그 전압 또는 디지털 전압일 수 있는 온도 표시를 수신할 수도 있고, 주파수 에러를 보상하기 위하여 GPS RF PLL 또는 BB NCO 또는 둘 모두를 구성하기 위한 하나 이상의 제어 신호들을 발생할 수 있다.

본 개시 내용의 어떤 실시예들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 그 조합으로 구현될 수 있다. 실시예들은 메모리에 저장되며 적당한 명령 실행 시스템에 의해 실행되는 소프트웨어 또는 펌웨어로 구현될 수 있다. 하드웨어로 구현되는 경우, 실시예들은 당 업계에서 잘 알려져 있는 다음의 기술들 중의 임의의 것 또는 조합으로 구현될 수 있다: 데이터 신호들에 대한 논리 함수들을 구현하기 위한 로직 게이트들을 갖는 이산 로직 회로(들), 적절한 조합 로직 게이트들을 갖는 애플리케이션 특정 집적 회로(ASIC : application specific integrated circuit), 프로그램가능 게이트 어레이(PGA : programmable gate array)(들), 필드 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA : field programmable gate array), 등.

임의의 프로세스 설명들 또는 순서도들에서의 블록들은 특정한 논리적 기능들 또는 프로세스에서의 단계들을 구현하기 위한 하나 이상의 실행가능한 명령들을 포함하는 모듈들, 세그먼트들, 또는 코드의 부분들을 나타내는 것으로 이해되어야 하고, 대안적인 구현예들은 당업자들에 의해 이해되는 바와 같이, 관여되는 기능성에 따라 대체로 동시 또는 반대의 순서를 포함하는, 도시되거나 논의된 것으로부터 비순차적으로 기능들이 실행될 수 있는 본 개시 내용의 실시예의 범위 내에 포함된다.

논리적 기능들을 구현하기 위한 실행가능한 명령들의 정렬된 리스트를 포함하는 온도 보상 소프트웨어 프로그램은 컴퓨터-기반 시스템, 프로세서-포함 시스템, 또는 명령 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스로부터 명령들을 불러올 수 있고 명령들을 실행할 수 있는 다른 시스템과 같은, 명령 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스에 의해 또는 이와 관련하여 이용하기 위하여 임의의 컴퓨터-판독가능 매체에서 구체화될 수 있다. 이 문서의 문맥에서, "컴퓨터-판독가능 매체"는 명령 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스에 의해 또는 이와 관련하여 이용하기 위한 프로그램을 포함, 저장, 통신, 또는 수송할 수 있는 임의의 수단일 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체는 예를 들어, 전자, 자기, 광, 전자기, 적외선, 또는 반도체 시스템, 장치, 또는 디바이스일 수 있지만, 이것으로 제한되지 않는다. 컴퓨터-판독가능 매체의 더욱 특정한 예들(철저하지 않은 리스트)은 다음을 포함할 것이다: 하나 이상의 배선들을 갖는 전기적 접속(전자), 휴대용 컴퓨터 디스켓(자기), 랜덤 액세스 메모리(RAM)(전자), 판독-전용 메모리(ROM)(전자), 소거가능 프로그램가능 판독-전용 메모리(EPROM 또는 플래시 메모리)(전자), 광 섬유(광), 및 휴대용 컴팩트 디스크 및 판독-전용 메모리(CDROM)(광). 또한, 어떤 실시예들의 범위는 하드웨어 또는 소프트웨어-구성된 매체들에서 구체화되는 로직에서 어떤 기능성들을 구체화하는 것을 포함한다.

본 개시 내용의 상기 설명된 실시예들은 구현예들의 가능성 있는 예들에 불과하고, 개시 내용의 원리들의 명백한 이해를 위하여 기재된 것에 불과하다는 것을 강조해야 한다. 다수의 변형들 및 수정들은 본 개시 내용의 취지 및 원리들로부터 대체로 이탈하지 않으면서 상기 설명된 실시예(들)에 대해 행해질 수 있다. 이러한 모든 수정들 및 변형들은 본 명세서에서 이 개시 내용의 범위 내에 포함되고 다음의 청구항들에 의해 보호되도록 하기 위한 것이다.

Claims (15)

1. 셀룰러 모듈에서 크리스탈 발진기를 미보상된 크리스탈 공진기와 결합하는 단계;
   상기 셀룰러 모듈 내의 상기 크리스탈 발진기로부터 기준 신호를 수신하는 단계;
   셀룰러 라디오 주파수(RF : radio frequency) 위상 고정 루프 및 셀룰러 기저대역 PLL에 의해, 상기 셀룰러 모듈의 동작 동안에 수신된 셀룰러 다운링크 신호 및 셀룰러 국부 발진기 신호 사이의 계산된 주파수 에러들을 보상하는 단계;
   위성 위치확인 시스템(GPS : global positioning system) 모듈 내의 상기 크리스탈 발진기로부터 상기 기준 신호를 수신하는 단계;
   온도 감지 회로에 의해, 현재의 온도에 비례하는 신호를 출력하는 단계; 및
   GPS RF 위상 고정 루프, GPS 기저대역 수치 제어 발진기, 또는 이 둘의 조합에 의해, 온도 감지 회로 출력 및 교정된 온도-주파수 특성 곡선에 기초하여 전체 동작 온도 영역에 걸쳐 GPS 모듈의 동작 동안에 온도 드리프트(temperature drift)로 인한 계산된 주파수 에러들을 보상하는 단계를 포함하는, 크리스탈 발진기를 공유하는 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   전압 분배기를 통해 써미스터로부터의 온도를 전압으로 변환하는 단계를 더 포함하고,
   상기 전압 분배기가 닫힌 위치에 있는 임의의 저항기(resistor)에 접속되도록, 상기 전압 분배기는 개방 또는 닫힌 위치에 있는 각각의 저항기를 제어하기 위한 스위치들을 갖는 저항기 어레이를 포함하고,
   상기 어레이 내의 저항기들을 위한 저항값은 -30℃ 내지 85℃에 걸친 그 대응하는 서브-온도(sub-temperature) 영역에 대해 최적화되고,
   공장 교정(factory calibration) 후 2개의 인접한 온도 영역들 사이에 온도 갭(gap)이 없다는 것을 보장하도록 각각의 스위칭 포인트에서 온도가 할당되는, 크리스탈 발진기를 공유하는 방법.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 온도 감지 회로의 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 통해 감지 전압을 디지털 판독치들로 변환하는 단계를 더 포함하는, 크리스탈 발진기를 공유하는 방법.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 온도 감지 회로에 대하여, 직렬 저항값 R_S 및 써미스터 정상 저항값 R_N의 비율을 특정 타겟값으로 튜닝(tuning)하는 단계; 및
   상기 온도 감지 회로에 대하여, 교정 시간을 감소시키기 위하여, 시퀀서(sequencer)로 상기 저항기 어레이에서의 모든 저항기들에 대한 직렬 저항 및 측정을 튜닝하는 단계를 더 포함하는, 크리스탈 발진기를 공유하는 방법.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   대표적인 크리스탈 샘플들의 작은 세트(set)에 기초하여 온도-주파수 곡선 맞춤 내의 다항식들을 온도의 함수로서 특징화하는 단계;
   -30℃로부터 85℃까지의 온도에 걸친 상기 크리스탈 공진기의 주파수 편차를, 상기 온도 종속적 다항식 계수들을 갖는 모델로 맞추는 단계를 더 포함하는, 크리스탈 발진기를 공유하는 방법.
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   대표적인 크리스탈 샘플들의 작은 세트에 기초하여 냉온(cold temperature)에 대한 온도-주파수 곡선 맞춤 계수들 및 실온(room temperature)에 대한 온도-주파수 곡선 맞춤 계수들 사이의 관계를 특징화하는 단계;
   열온(hot temperature)에 대한 온도-주파수 곡선 맞춤 계수들 및 실온에 대한 온도-주파수 곡선 맞춤 계수들 사이의 관계를 특징화하는 단계;
   공장 교정 동안의 주파수-온도 측정들의 세트에 기초하여 실온에 대한 온도-주파수 곡선 맞춤 계수들을 추출하는 단계;
   대표적인 크리스탈 샘플들의 상기 작은 세트를 분석하는 것을 통해 얻어진 상기 특징화 관계들 및 상기 실온 계수들에 기초하여 냉온 및 열온에 대한 상기 온도-주파수 맞춤 계수들을 연산하는 단계; 및
   온도에 걸친 상기 크리스탈 공진기의 크리스탈 주파수 편차를, 각각의 세그먼트가 -30℃로부터 85℃까지의 서브-온도 영역에 대응하는 다수의 다항식 세그먼트들을 갖는 모델로 맞추는 단계를 더 포함하는, 크리스탈 발진기를 공유하는 방법.
7. 셀룰러 모듈에서 크리스탈 발진기를 미보상된 크리스탈 공진기와 결합하기 위한 수단;
   상기 셀룰러 모듈 내의 상기 크리스탈 발진기로부터 기준 신호를 수신하기 위한 수단;
   셀룰러 라디오 주파수(RF : radio frequency) 위상 고정 루프 및 셀룰러 기저대역 PLL에 의해, 상기 셀룰러 모듈의 동작 동안에 수신된 셀룰러 다운링크 신호 및 셀룰러 국부 발진기 신호 사이의 계산된 주파수 에러들을 보상하기 위한 수단;
   위성 위치확인 시스템(GPS : global positioning system) 모듈 내의 상기 크리스탈 발진기로부터 상기 기준 신호를 수신하기 위한 수단;
   온도 감지 회로에 의해, 현재의 온도에 비례하는 신호를 출력하기 위한 수단; 및
   GPS RF 위상 고정 루프, GPS 기저대역 수치 제어 발진기, 또는 이 둘의 조합에 의해, 온도 감지 회로 출력 및 교정된 온도-주파수 특성 곡선에 기초하여 전체 동작 온도 영역에 걸쳐 GPS 모듈의 동작 동안에 온도 드리프트(temperature drift)로 인한 계산된 주파수 에러들을 보상하기 위한 수단을 포함하는, 공동-통합된 기준 크리스탈 발진기 시스템.
8. 청구항 7에 있어서,
   전압 분배기를 통해 써미스터로부터의 온도를 전압으로 변환하기 위한 수단을 더 포함하고,
   상기 전압 분배기가 닫힌 위치에 있는 임의의 저항기(resistor)에 접속되도록, 상기 전압 분배기는 개방 또는 닫힌 위치에 있는 각각의 저항기를 제어하기 위한 스위치들을 갖는 저항기 어레이를 포함하고,
   상기 어레이 내의 저항기들을 위한 저항값은 -30℃ 내지 85℃에 걸친 그 대응하는 서브-온도(sub-temperature) 영역에 대해 최적화되고,
   공장 교정(factory calibration) 후 2개의 인접한 온도 영역들 사이에 온도 갭(gap)이 없다는 것을 보장하도록 각각의 스위칭 포인트에서 온도가 할당되는, 공동-통합된 기준 크리스탈 발진기 시스템.
9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
   상기 온도 감지 회로의 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 통해 감지 전압을 디지털 판독치들로 변환하기 위한 수단을 더 포함하는, 공동-통합된 기준 크리스탈 발진기 시스템.
10. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 온도 감지 회로에 대하여, 직렬 저항값 R_S 및 써미스터 정상 저항값 R_N의 비율을 특정 타겟값으로 튜닝(tuning)하기 위한 수단; 및
    상기 온도 감지 회로에 대하여, 교정 시간을 감소시키기 위하여, 시퀀서(sequencer)로 상기 저항기 어레이에서의 모든 저항기들에 대한 직렬 저항 및 측정을 튜닝하기 위한 수단을 더 포함하는, 공동-통합된 기준 크리스탈 발진기 시스템.
11. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    대표적인 크리스탈 샘플들의 작은 세트(set)에 기초하여 온도-주파수 곡선 맞춤 내의 다항식들을 온도의 함수로서 특징화하기 위한 수단;
    -30℃로부터 85℃까지의 온도에 걸친 상기 크리스탈 공진기의 주파수 편차를, 상기 온도 종속적 다항식 계수들을 갖는 모델로 맞추기 위한 수단을 더 포함하는, 공동-통합된 기준 크리스탈 발진기 시스템.
12. 주파수 소스(source)를 크리스탈 발진기에 제공하도록 구성된 미보상된 크리스탈 공진기;
    반복가능하고 예측가능하며, 현재의 온도를 측정하도록 구성되는 방식으로, 그 전기 저항이 온도의 함수로서 변동되는 온도 센서;
    셀룰러 모듈 및 위성 위치확인 시스템(GPS) 모듈에 대하여 기준 클록 주파수 신호를 출력하도록 구성된 크리스탈 발진기;
    상기 셀룰러 모듈 내의 상기 크리스탈 발진기의 기준 클록 신호를 수신하고, 상기 셀룰러 모듈의 동작 동안에 셀룰러 수신된 다운링크 신호 및 셀룰러 국부 발진기(LO : local oscillator) 신호 사이의 계산된 주파수 에러를 보상하도록 구성된 프로그램가능 셀룰러 라디오 주파수(RF) 위상 고정 루프(phase locked loop);
    상기 계산된 주파수 에러에 기초하여 기저대역 주파수 신호전송을 위하여 보상된 클록을 발생하도록 구성된 프로그램가능 셀룰러 기저대역 디지털 위상 고정 루프;
    상기 기준 클록 주파수 신호를 수신하도록 구성된 프로그램가능 GPS RF 위상 고정 루프 및 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기로서, 추정된 주파수 에러에 대응하는 기준 클록 주파수 에러 추정 신호들을 수신할 수 있고, 출력 신호들로부터의 추정된 주파수 에러의 효과를 상쇄시키는 방식으로, 상기 GPS RF 위상 고정 루프 및 상기 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기의 출력 신호들을 보상할 수 있는, 상기 프로그램가능 GPS RF 위상 고정 루프 및 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기;
    상기 온도 센서에 의해 표시된 바와 같이, 상기 현재의 온도에 비례하는 신호를 출력하도록 구성된 온도 감지 회로;
    상기 온도 감지 회로의 출력 신호를 수신하고, 상기 온도 감지 회로의 상기 출력 신호를 온도 센서 저항 추정치에 맵핑하고, 상기 온도 센서 저항 추정치를 크리스탈 공진기 기준 발진기 온도 추정치로 더 변환하도록 구성된 분석적인 온도 센서 모델;
    상기 분석적인 온도 센서 모델의 상기 온도 센서 저항 추정치를 수신하고, 교정된 온도-주파수 특성 곡선에 기초하고 있는 기준 발진기 주파수 편차 및 상기 크리스탈 공진기 온도 사이의 일대일(one-to-one) 맵핑을 통해 상기 온도 센서 저항 추정치를 주파수 편차 추정치로 변환하도록 구성된 분석적인 크리스탈 기준 발진기 주파수 편차 대 온도 모델을 포함하고,
    상기 프로그램가능 GPS RF 위상 고정 루프, 상기 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기, 또는 이 둘의 조합은 상기 주파수 편차 추정치를 수신하고, 상기 GPS RF 위상 고정 루프 및 상기 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기의 상기 출력 신호들로부터의 상기 추정된 주파수 에러의 효과를 상쇄시키는 방식으로, 상기 출력 신호들의 주파수, 상기 출력 신호들의 위상, 또는 이 둘의 조합을 보상하도록 더 구성되어, 상기 GPS RF 위상 고정 루프, GPS 기저대역 수치 제어 발진기, 또는 이 둘의 조합이 수신된 위성 GPS 신호들을 정확하게 프로세싱하기 위하여 온도 보상되는 주파수 신호들을 출력하게 하고,
    상기 온도 감지 회로는 저항기 분배기 회로, 연산 증폭기, 피드백 저항기들, 전압 오프셋 저항기들, 및 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함하고,
    상기 저항기 분배기 회로는 온도 센서 저항성 소자 및 복수의 스위칭되는 감지 저항기들로 구성되는, 공동-통합된 기준 크리스탈 발진기 시스템.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 크리스탈 발진기는 상기 셀룰러 모듈, 상기 GPS 모듈, 상기 온도 감지 회로에 대하여 독립적으로 동작하는, 공동-통합된 기준 크리스탈 발진기 시스템.
14. 청구항 12 또는 청구항 13에 있어서,
    상기 크리스탈 발진기는 상기 기준 클록 신호를 수신하고 상기 GPS 모듈의 동작 동안에 상기 기준 클록 신호에서 주파수 에러들을 보상하도록 구성된 디지털 제어 크리스탈 발진기(DCXO : digital controlled crystal oscillator)를 포함하고, 상기 주파수 에러들은 온도 드리프트로부터의 에러를 포함하는, 공동-통합된 기준 크리스탈 발진기 시스템.
15. 주파수 소스(source)를 크리스탈 발진기에 제공하도록 구성된 미보상된 크리스탈 공진기;
    반복가능하고 예측가능하며, 현재의 온도를 측정하도록 구성되는 방식으로, 그 전기 저항이 온도의 함수로서 변동되는 온도 센서;
    위성 위치확인 시스템(GPS)에 대하여 기준 클록 주파수 신호를 출력하도록 구성된 크리스탈 발진기;
    상기 기준 클록 주파수 신호를 수신하도록 구성된 프로그램가능 GPS 라디오 주파수(RF : radio frequency) 위상 고정 루프 및 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기로서, 기준 클록 주파수 에러 추정 신호를 수신할 수 있고, 출력 신호들로부터의 추정된 주파수 에러의 효과를 상쇄시키는 방식으로, 상기 GPS RF 위상 고정 루프 및 상기 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기의 출력 신호들을 보상할 수 있는, 상기 프로그램가능 GPS RF 위상 고정 루프 및 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기;
    상기 온도 센서에 의해 표시된 바와 같이, 상기 현재의 온도에 비례하는 신호를 출력하도록 구성된 온도 감지 회로;
    상기 온도 감지 회로의 출력 신호를 수신하고, 상기 온도 감지 회로의 상기 출력 신호를 온도 센서 저항 추정치에 맵핑하고, 상기 온도 센서 저항 추정치를 크리스탈 공진기 기준 발진기 온도 추정치로 더 변환하도록 구성된 분석적인 온도 센서 모델;
    상기 분석적인 온도 센서 모델의 상기 온도 센서 저항 추정치를 수신하고, 교정된 온도-주파수 특성 곡선에 기초하고 있는 크리스탈 발진기 주파수 편차 및 상기 크리스탈 공진기 온도 사이의 일대일(one-to-one) 맵핑을 통해 상기 온도 센서 저항 추정치를 주파수 편차 추정치로 변환하도록 구성된 분석적인 크리스탈 기준 발진기 주파수 편차 대 온도 모델을 포함하고,
    상기 프로그램가능 위성 위치확인 시스템(GPS) RF 위상 고정 루프, 상기 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기, 또는 이 둘의 조합은 상기 주파수 편차 추정치를 수신하고, 상기 GPS RF 위상 고정 루프 및 상기 프로그램가능 GPS 기저대역 수치 제어 발진기의 상기 출력 신호들로부터의 상기 추정된 주파수 에러의 효과를 상쇄시키는 방식으로, 상기 출력 신호들의 주파수, 상기 출력 신호들의 위상, 또는 이 둘의 조합을 보상하도록 더 구성되어, 상기 GPS RF 위상 고정 루프, GPS 기저대역 수치 제어 발진기, 또는 이 둘의 조합이 수신된 위성 GPS 신호들을 정확하게 프로세싱하기 위하여 온도 보상되는 주파수 신호들을 출력하게 하고,
    상기 온도 감지 회로는 저항기 분배기 회로, 연산 증폭기, 피드백 저항기들, 전압 오프셋 저항기들, 및 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함하고,
    상기 저항기 분배기 회로는 온도 센서 저항성 소자 및 복수의 스위칭되는 감지 저항기들로 구성되는, 공동-통합된 기준 크리스탈 발진기 시스템.

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