專利名稱：高精度溫度補償晶體振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子器件技術(shù)領(lǐng)域，更明確地說涉及高精度溫度補償晶體振蕩器的改進。
背景技術(shù)：
溫度補償晶體振蕩器是一種在各種電子線路中有著廣泛用途的電子振蕩器。它提供脈沖時鐘信號作為數(shù)字信號的觸發(fā)基準(zhǔn)。無線及寬帶通訊設(shè)備器材如手機、無線局域網(wǎng)、GPS、DSL和CABLE收發(fā)器等等，對時鐘信號的精度都有非常高的要求，一般為(2～3)×10-6。對于這樣高的精度，由簡單的振蕩晶體和反相器組成的電子振蕩器在一定的溫度范圍內(nèi)已不能達到要求。在-40℃～+85℃的溫度范圍內(nèi)，上述簡單電子振蕩器的精度只能達到±50×10-6。所以必須給簡單電子振蕩器加上溫度補償器或溫度補償電路(Temperature Compensator)。
常見的溫度補償晶體振蕩器包括溫度補償器、壓控電容器和電子振蕩器。溫度補償器根據(jù)溫度曲線產(chǎn)生補償電壓加于壓控電容器，壓控電容器的電容量將相應(yīng)變化。電容量的變化可以改變晶體的諧振頻率從而補償晶體頻率的溫度漂移。
溫度補償晶體振蕩器的關(guān)鍵是如何設(shè)計溫度補償器。溫度補償器的輸入變量是溫度而輸出變量是電壓。其間的函數(shù)關(guān)系是非線性關(guān)系。目前常用的函數(shù)關(guān)系為二次多項式和沒有二次項的三次多項式。以這兩種函數(shù)關(guān)系構(gòu)造的溫度補償晶體振蕩器，很難達到所要求的精度要求。根據(jù)申請人的實驗和理論推導(dǎo)，理想的函數(shù)關(guān)系應(yīng)為全系數(shù)三次多項式，即此三次多項式含有不為零的一次項和二次項。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，就在于克服上述缺點和不足，提供一種高精度溫度補償晶體振蕩器。它是以全系數(shù)三次多項式函數(shù)關(guān)系構(gòu)造的溫度補償晶體振蕩器，其依據(jù)的三次多項式含有不為零的一次項和二次項。因此，在-40℃～+85℃的溫度范圍內(nèi)，其頻率精度可以控制在±1×10-6以下。其溫度補償器結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，其頻率范圍可達5～30兆赫。
為了達到上述目的，本發(fā)明包括與晶體振蕩器并聯(lián)的反相器、連接在晶體振蕩器和地之間的壓控電容器以及控制壓控電容器的溫度補償電路。溫度補償電路包括輸入SD、SCL雙線和VP信號的接口，與接口連接的一次性可編程存儲器，分別與一次性可編程存儲器的A、B、C、TO和SO五種設(shè)置數(shù)據(jù)的輸出端連接的五個數(shù)模轉(zhuǎn)換器，輸入五個數(shù)模轉(zhuǎn)換器的參照電壓源，與五個數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接的全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器以及與全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器的輸入端連接的溫度傳感器。全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器的輸出端與反相器的輸入端連接。一次性可編程存儲器的寄存器C1、C2設(shè)置數(shù)據(jù)的輸出端分別與兩個電容陣列開關(guān)的控制端連接。兩個電容陣列開關(guān)分別連接在晶體振蕩器的兩端和地之間。反相器的輸入端和地之間還連接著壓控電容器。
全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器包括將溫度傳感器的輸出電壓和C設(shè)置數(shù)據(jù)相加的加法器一、將加法器一的輸出數(shù)據(jù)和A設(shè)置數(shù)據(jù)相乘的乘法器一、將加法器一的輸出數(shù)據(jù)和TO設(shè)置數(shù)據(jù)相乘的乘法器二、將加法器一和乘法器一的輸出數(shù)據(jù)相乘的乘法器三、將乘法器三和乘法器二的輸出數(shù)據(jù)以及B設(shè)置數(shù)據(jù)相加的加法器二、將加法器一和加法器二的輸出數(shù)據(jù)相乘的乘法器四、將SO設(shè)置數(shù)據(jù)和壓控晶體振蕩器的VC值相乘的乘法器五以及將乘法器五的輸出數(shù)據(jù)和乘法器四的輸出數(shù)據(jù)VT相加的加法器三。加法器三的輸出值亦即全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器的輸出值連接到反相器的輸入端。
全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器還與3～4個不同溫度點的頻率測量數(shù)據(jù)連接。
一次性可編程存儲器為34位，包括C1、C2、A、B、C、TO和SO共七種設(shè)置數(shù)據(jù)，上述設(shè)置數(shù)據(jù)分別有4、6、8、4、4、4和4個數(shù)位。
本發(fā)明的輸出端由反相器的輸出端經(jīng)緩沖器組成。
壓控電容器由MOS型壓控電容組成，電容可調(diào)范圍在5pF到10pF之間。參照電壓源由MOS型場效應(yīng)管組成。
本發(fā)明的溫度補償電路采用一個新結(jié)構(gòu)，它可分為四部分帶壓控電容器(變?nèi)荻O管)的晶體振蕩器及開關(guān)電容陣的壓控振蕩器、全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器、溫度傳感器以及帶有SPI接口的一次性可編程的只讀儲存器。全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器由加法器和乘法器組成。全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器的輸入是由芯片上的溫度傳感器提供的溫度電壓，其輸出電壓VT被加到VCXO(壓控晶體振蕩器)的VC上來補償頻率漂移。
VC電壓的變化會引起變?nèi)荻O管的電容值的變化。變?nèi)荻O管的電容值的變化決定了晶體振蕩器頻率。全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器的多項式的系數(shù)是由三到四個溫度頻率測量來校正的。這樣晶體頻率溫度漂移可以被補償器的輸出電壓來糾正。
本發(fā)明的目的就是這樣達到的。
本發(fā)明依據(jù)全系數(shù)三次多項式溫度補償晶體振蕩器的設(shè)計原理和最佳溫補系數(shù)的測算方法，提供了一種高精度溫度補償晶體振蕩器。在-40℃～+85℃的溫度范圍內(nèi)，其頻率精度可以控制在±1×10-6以下。其溫度補償器結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，其頻率范圍可達5～30兆赫(取決于晶體的頻率)。它還有下述優(yōu)點或特點溫度補償范圍寬；溫度補償器采用全系數(shù)三階多項式函數(shù)關(guān)系；低功耗，＜5mw；振蕩器靈敏度可選控；采用SPI接口；采用一次性可編程的(OTP)修正；管芯(die)尺寸小，低于1.5mm2。
本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于各種電子線路尤其是數(shù)字電路中。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2為一次性可編程存儲器的各設(shè)置數(shù)據(jù)與其數(shù)位對照表。
圖3為已有溫度補償晶體振蕩器的方框圖。
圖3所示，已有溫度補償晶體振蕩器包括與晶體振蕩器并聯(lián)的反相器、連接在晶體振蕩器和地之間的壓控電容器以及控制壓控電容器的溫度補償電路。
具體實施例方式
實施例1。一種高精度溫度補償晶體振蕩器，如圖1～圖2所示。它包括與晶體振蕩器1并聯(lián)的反相器2、連接在晶體振蕩器1和地之間的壓控電容器3以及控制壓控電容器3的溫度補償電路4。溫度補償電路4包括輸入SD、SCL雙線和VP信號的接口5，與接口5連接的一次性可編程存儲器6，分別與一次性可編程存儲器6的A、B、C、TO和SO五種設(shè)置數(shù)據(jù)的輸出端連接的五個數(shù)模轉(zhuǎn)換器7，輸入五個數(shù)模轉(zhuǎn)換器7的參照電壓源8，與五個數(shù)模轉(zhuǎn)換器7連接的全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器9以及與全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器9的輸入端連接的溫度傳感器10。全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器9的輸出端11與反相器2的輸入端連接。一次性可編程存儲器6的寄存器C1、C2設(shè)置數(shù)據(jù)的輸出端分別與兩個電容開關(guān)12的控制端連接。兩個電容開關(guān)12分別連接在晶體振蕩器1的兩端和地之間。反相器2的輸入端和地之間還連接著壓控電容器3。
全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器9包括將溫度傳感器10的輸出數(shù)據(jù)和C設(shè)置數(shù)據(jù)相加的加法器一13、將加法器一13的輸出數(shù)據(jù)和A設(shè)置數(shù)據(jù)相乘的乘法器一14、將加法器一13的輸出數(shù)據(jù)和TO設(shè)置數(shù)據(jù)相乘的乘法器二15、將加法器一13和乘法器一14的輸出數(shù)據(jù)相乘的乘法器三16、將乘法器三16和乘法器二15的輸出數(shù)據(jù)以及B設(shè)置數(shù)據(jù)相加的加法器二17、將加法器一13和加法器二17輸出數(shù)據(jù)相乘的乘法器四18、將SO設(shè)置數(shù)據(jù)和壓控晶體振蕩器的VC值相乘的乘法器五19以及將乘法器五19的輸出數(shù)據(jù)和乘法器四18的輸出數(shù)據(jù)VT相加的加法器三20。加法器三20的輸出值亦即全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器9的輸出值連接到反相器2的輸入端。
全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器9與4個不同溫度點的頻率測量21的數(shù)據(jù)連接。
一次性可編程存儲器6為34位，包括C1、C2、A、B、C、TO和SO共七種設(shè)置數(shù)據(jù)，上述設(shè)置數(shù)據(jù)分別有4、6、8、4、4、4和4個數(shù)位。
本發(fā)明的輸出端由反相器2的輸出端經(jīng)緩沖器22組成。
壓控電容器3由MOS型壓控電容組成，電容可調(diào)范圍在5pF到10pF之間。參照電壓源8由MOS型場效應(yīng)管組成。
在本發(fā)明高精度溫度補償晶體振蕩器芯片中，溫度感應(yīng)信號T是由芯片內(nèi)置溫度傳感器10產(chǎn)生。其差動電壓幅度在-0.4～0.4V之間。此電壓范圍對應(yīng)室溫范圍為-40℃至+85℃。其對應(yīng)關(guān)系為線性關(guān)系，線性誤差小于0.5％。
在本發(fā)明高精度溫度補償晶體振蕩器芯片中，含有一個34位一次性可編程存儲器6。該存儲器6的讀寫是由雙線接口(SCL，SD)完成。在調(diào)試階段此存儲器6多次被讀寫。調(diào)試完成后，存儲器6的固化可在VP管角上加一高電平完成。該一次性可編程存儲器6的各設(shè)置數(shù)據(jù)與其數(shù)位對照表可見圖2。
該存儲器6還包括對照單元23(Mapping)，它將存儲器6的控制設(shè)置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)可接受的數(shù)據(jù)形式。另外，雙線接口除了完成收發(fā)存儲器的數(shù)據(jù)外，它還包括一次性可編程存儲器6的控制電路。
本芯片包括五個數(shù)模轉(zhuǎn)換器7(DAC)，其中一個為八位，其余四個為四位。它的輸入?yún)⒄针妷簽?.27V。
本芯片使用了三個加法器與五個乘法器。所有這些運算器皆為差分結(jié)構(gòu)。共模電壓為了1.2V。其內(nèi)部的線性度在1％之內(nèi)。
壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator)由壓控電容器3、反相器2、兩個電容開關(guān)12陣列、緩沖器22和外部晶體1組成。振蕩器的頻率是由晶體1的本征頻率和電容量決定。而壓控電容器3由VT+VC決定。電容開關(guān)12陣列的電容由寄存器C1和C2來設(shè)定。壓控電容器3(Varactor)是由MOS壓控電容構(gòu)成。電容可調(diào)范圍在5pF～10pF。
參照電壓源8(Voltage Reference)是由MOS FET構(gòu)成。它提供數(shù)模轉(zhuǎn)換器7(DAC)和溫度傳感器8的參照電壓。
本發(fā)明的全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器9為三次全系數(shù)多項式補償器。芯片的主要調(diào)控機能由三次全系數(shù)多項式補償器完成。全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器9是由加法器和乘法器組成，補償器9的輸入是由芯片上的溫度傳感器10提供的溫度電壓T。補償器9的輸出電壓VT被加到壓控電壓VC上。此函數(shù)發(fā)生器9是由三個加法器和四個乘法器組成。從系統(tǒng)框圖可以看出，其輸入變量T和輸出變量VT之間的關(guān)系為VT＝A(T-T0)3+B(T-T0)2+C(T-T0)(1)式中的系數(shù)A、B、C和T0由SPI接口輸入到芯片的寄存器或一次性可編程存儲器6。存入寄存器的系數(shù)可不斷修改，而系數(shù)輸入到一次性可編程存儲器(OTP)則是永久不變的。
為了獲得精確的補償器9的系數(shù)，最小均方差算法被用來計算這些多項式系數(shù)。通過用四個不同溫度點測量的頻率，這一算法可求出在頻率誤差最小均方意義下的最佳補償系數(shù)。為了取得更優(yōu)的結(jié)果，校正步驟可以反復(fù)使用。當(dāng)?shù)玫阶罴蜒a償系數(shù)后，將其存進一次性可編程存儲器6(OTP)，芯片的調(diào)試便完成。
全系數(shù)多項式補償函數(shù)的系數(shù)測算由下列步驟完成先選定四個初始參數(shù)A0，B0，C0，T0，并輸入到芯片的存儲器6。隨后在四個溫點T1＝-25℃，T2＝25℃，T3＝55℃，T4＝85℃，從芯片的輸出端“OUT”測量芯片的四個時鐘頻率F10、F20、F30、F40。
然后加一擾動dT0在T0上，并輸入到芯片的存儲器6。然后在同樣四個溫點上，從芯片的輸出端“OUT”再測量芯片的四個時鐘頻率F1T、F2T、F3T、F4T。
再用同樣的方法擾動A0，B0，C0，，并得到F1A，F(xiàn)2A，F(xiàn)3A，F(xiàn)4A；F1B，F(xiàn)2B，F(xiàn)3B，F(xiàn)4B；F1C，F(xiàn)2C，F(xiàn)3C，F(xiàn)4C.
從而可算出補償誤差多項式的系數(shù)R0、RT、RA、RB、RC，它們都是四維向量R0＝M-1[F10 F20 F30 F40]TRT＝M-1[F1T F2T F3T F4T]TRA＝M-1[F1A F2A F3A F4A]TRB＝M-1[F1B F2B F3B F4B]TRC＝M-1[F1C F2C F3D F4D]T這里Matrix M有如下形式M=1T1-T0Λ(T1-T0)3MMMM1T4-T0Λ(T4-T0)3]]>從算出的補償誤差多項式系數(shù)R0、RT、RA、RB、RC，便可由下列公式得到最終的校正系數(shù)A0′，B0′，C0′，T0′T0′＝T0+(R0[3]/(RT[3]-R0[3])dT0A0′＝A0+(R0[4]/(RA[4]-R0[4])dA0B0′＝B0+(R0[3]/(RB[3]-R0[3])dB0C0′＝C0+(R0[2]/(RC[2]-R0[2])dC0將以上得到的A0′，B0′，C0′，T0′存入芯片的一次性可編程存儲器6，全系數(shù)多項式補償函數(shù)的參數(shù)校正便完成。
圖1中其余字符說明如下DAC為數(shù)/模轉(zhuǎn)換；SCL為串行時鐘線；SDA為串行數(shù)據(jù)線；TP2為針式插頭，它將頻率測量21的數(shù)據(jù)連接到全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器的內(nèi)部，用于控制。
實施例1依據(jù)全系數(shù)三次多項式溫度補償晶體振蕩器的設(shè)計原理和最佳溫補系數(shù)的測算方法，提供了一種高精度溫度補償晶體振蕩器。在-40℃～+85℃的溫度范圍內(nèi)，其頻率精度可以控制在±1×10-6以下。其溫度補償器結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，其頻率范圍可達5～30兆赫(取決于晶體的頻率)。它可廣泛應(yīng)用于各種電子線路尤其是數(shù)字電路中。
權(quán)利要求
1.一種高精度溫度補償晶體振蕩器，它包括與晶體振蕩器并聯(lián)的反相器、連接在晶體振蕩器和地之間的壓控電容器以及控制壓控電容器的溫度補償電路，其特征在于溫度補償電路包括輸入SD、SCL雙線和VP信號的接口，與接口連接的一次性可編程存儲器，分別與一次性可編程存儲器的A、B、C、TO和SO五種設(shè)置數(shù)據(jù)的輸出端連接的五個數(shù)模轉(zhuǎn)換器，輸入五個數(shù)模轉(zhuǎn)換器的參照電壓源，與五個數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接的全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器以及與全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器的輸入端連接的溫度傳感器，全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器的輸出端與反相器的輸入端連接，一次性可編程存儲器的寄存器C1、C2設(shè)置數(shù)據(jù)的輸出端分別與兩個電容開關(guān)的控制端連接，兩個電容開關(guān)分別連接在晶體振蕩器的兩端和地之間，反相器的輸入端和地之間還連接著壓控電容器。
2.按照權(quán)利要求1所述的高精度溫度補償晶體振蕩器，其特征在于所說的全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器包括將溫度傳感器的輸出數(shù)據(jù)和C設(shè)置數(shù)據(jù)相加的加法器一、將加法器一的輸出數(shù)據(jù)和A設(shè)置數(shù)據(jù)相乘的乘法器一、將加法器一的輸出數(shù)據(jù)和TO設(shè)置數(shù)據(jù)相乘的乘法器二、將加法器一和乘法器一的輸出數(shù)據(jù)相乘的乘法器三、將乘法器三和乘法器二的輸出數(shù)據(jù)以及B設(shè)置數(shù)據(jù)相加的加法器二、將加法器一和加法器二的輸出數(shù)據(jù)相乘的乘法器四、將SO設(shè)置數(shù)據(jù)和壓控晶體振蕩器的VC值相乘的乘法器五以及將乘法器五的輸出數(shù)據(jù)和乘法器四的輸出數(shù)據(jù)VT相加的加法器三，加法器三的輸出值亦即全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器的輸出值連接到反相器的輸入端。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的高精度溫度補償晶體振蕩器，其特征在于所說的全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器還與3～4個不同溫度點的頻率測量數(shù)據(jù)連接。
4.按照權(quán)利要求1或2所述的高精度溫度補償晶體振蕩器，其特征在于所說的一次性可編程存儲器為34位，包括C1、C2、A、B、C、TO和SO共七種設(shè)置數(shù)據(jù)，上述設(shè)置數(shù)據(jù)分別有4、6、8、4、4、4和4個數(shù)位。
5.按照權(quán)利要求3所述的高精度溫度補償晶體振蕩器，其特征在于所說的一次性可編程存儲器為34位，包括C1、C2、A、B、C、TO和SO共七種設(shè)置數(shù)據(jù)，上述設(shè)置數(shù)據(jù)分別有4、6、8、4、4、4和4個數(shù)位。
6.按照權(quán)利要求5所述的高精度溫度補償晶體振蕩器，其特征在于其輸出端由反相器的輸出端經(jīng)緩沖器組成。
7.按照權(quán)利要求6所述的高精度溫度補償晶體振蕩器，其特征在于所說的壓控電容器由MOS型壓控電容組成，電容可調(diào)范圍在5pF到10pF之間。
8.按照權(quán)利要求7所述的高精度溫度補償晶體振蕩器，其特征在于所說的參照電壓源由MOS型場效應(yīng)管組成。
全文摘要
一種高精度溫度補償晶體振蕩器，屬于電子器件。包括晶體振蕩器、反相器、壓控電容器及溫度補償電路。溫度補償電路包括輸入SD、SCL的接口，一次性可編程存儲器，分別與該存儲器的A、B、C、TO和SO五設(shè)置輸出端連接的五個數(shù)模轉(zhuǎn)換器，參照電壓源，全系數(shù)多項式補償函數(shù)發(fā)生器及溫度傳感器。函數(shù)發(fā)生器的輸出端與反相器輸入端連接。該可編程存儲器的C1、C2的輸出端分別與兩電容開關(guān)控制端連接。兩電容開關(guān)分別連接在晶體振蕩器的兩端和地之間。反相器的輸入端和地之間連接壓控電容器。它在－40℃～+85℃的范圍內(nèi)頻率精度高達±1×10
文檔編號H03B5/00GK1829076SQ200610043369
公開日2006年9月6日 申請日期2006年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月28日
發(fā)明者武勇 申請人:青島硅盛微電子有限公司