專利名稱：聲表面波頻率器件的溫度補償系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基于聲表面波的頻率控制器件，尤其涉及對聲表面波頻率器件進行溫度補償?shù)南到y(tǒng)
背景技術：
頻率控制(包括頻率產(chǎn)生)器件是大多數(shù)電子系統(tǒng)中必不可缺的元件。頻率控制器件通常由振蕩器構成，其中最常見的是使用石英晶體構成的晶體振蕩器。振蕩器中有的用外加電壓對晶振的頻率進行控制，組成壓控晶體振蕩器(VCXO，Voltage Compensated Crystal Oscillator)；有的帶有溫度補償，組成溫度補償晶體振蕩器(TCXO，Temperature Compensated CrystalOscillator)。
溫度補償晶體振蕩器雖然溫度穩(wěn)定性較好，但是生產(chǎn)成本較高。另外，我們對市場上現(xiàn)有的幾種高端振蕩器進行了比較反臺晶體振蕩器的輸出頻率較低，在100～250MHz之間，且制造成本較高；鎖相環(huán)振蕩器的相位噪聲較大，且耗電量較高；聲表面波的其他性能都較好，但是溫度穩(wěn)定性較差，一般在+/-100ppm的水平。
聲表面波振蕩器是一種高穩(wěn)定、低噪聲振蕩源，以SAW(SurfaceAcoustic Wave)器件為頻率控制元件。聲表面波是在壓電晶體表面?zhèn)鞑サ臋C械波。采用微電子技術制作的聲表面波器件體積小重量輕，易于規(guī)模生產(chǎn)。聲表面波(SAW)振蕩器作為頻率源器件，比泛音晶體諧振器具有更低的抖動和相位噪聲，在高頻電路應用中具有獨特的優(yōu)勢，應用領域十分廣闊。聲表面波振蕩器頻率范圍為250～1200MHz，是當今用于高頻振蕩器中最佳的材料選擇，然而其較差的溫度穩(wěn)定性，限制了它被廣泛的使用于高頻晶振之中。例如，大部分客戶的工作溫度要求是從-40℃到+85℃，但SAW振蕩器只能支持-20℃到+70℃。
目前還沒有一個可以同時擁有高頻率、高穩(wěn)定性(＜+/-20ppm)和低相位噪聲的頻率器件。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種聲表面波頻率器件的溫度補償系統(tǒng)，提高SAW器件的溫度穩(wěn)定性，就可以得到同時具備高頻率、高穩(wěn)定性(＜+/-20ppm)、低相位噪聲、體積小、低成本的特點的聲表面波頻率器件。
本實用新型的技術方案是一種聲表面波頻率器件的溫度補償系統(tǒng)，包括溫度傳感器、溫度補償電路，以及和聲表面波材料相連的振蕩器核，所述振蕩器核包括可調(diào)電容庫，含有至少一個可變電容，所述溫度補償電路的存儲器中存儲有查閱表，包含控制信號-溫度關系信息或頻率信號-溫度關系信息。
本實用新型的聲表面波頻率器件的溫度補償系統(tǒng)的更詳細的技術方案是 所述溫度補償電路可以是模擬溫度補償電路或者是數(shù)字溫度補償電路，或者是含有微處理器的溫度補償子系統(tǒng)；當是數(shù)字溫度補償電路時，在數(shù)字溫度補償電路和溫度傳感器之間，連接有模擬數(shù)字轉換器，將溫度傳感器輸出的模擬信號轉換為數(shù)字信號，然后輸出給數(shù)字溫度補償電路；數(shù)字溫度補償電路輸出的控制信號直接控制可調(diào)電容庫中的可變電容，或者通過數(shù)字模擬轉換器將數(shù)字信號轉換為模擬信號以后，再控制可變電容。
進一步地，所述模擬溫度補償電路連接一個濾波器后再和可調(diào)電容庫相連。
所述可變電容庫中的可變電容可以接受數(shù)字信號或模擬信號、電流信號或電壓信號的控制。
所述系統(tǒng)可以利用集成電路技術，制作在同一塊芯片或一塊以上的芯片之中。
進一步地，可以重新進行校正定標并獲得控制信號一溫度關系表或者頻率-溫度信號表，以及相關系數(shù)，存儲于溫度補償電路的存儲器中。
本實用新型的優(yōu)點是本實用新型采用的溫度補償系統(tǒng)能有效校正聲表面波頻率器件的溫度特性，采用溫度補償系統(tǒng)后的聲表面波頻率器件可以改善頻率穩(wěn)定度至＜+/-20ppm以下的水平，同時擁有高頻率和低相位噪聲的優(yōu)點，并適合于集成在集成電路芯片中或者采用微處理器控制。以下結合附圖及實施例對本實用新型作進一步描述

圖1為本實用新型的實施例1的系統(tǒng)原理圖； 圖2為本實用新型的實施例的頻率-溫度關系曲線示意圖； 圖3為本實用新型的實施例的校正頻率曲線示意圖； 圖4為本實用新型的實施例進行溫度補償后的頻率-溫度關系曲線示意圖； 圖5為本實用新型的實施例2的系統(tǒng)原理圖； 圖6為本實用新型的實施例3的系統(tǒng)原理圖； 圖7為本實用新型的實施例4的系統(tǒng)原理圖； 圖8為本實用新型的實施例5的系統(tǒng)原理圖； 圖9為本實用新型的實施例6的系統(tǒng)原理圖。
其中1聲表面波材料；2振蕩器核；3溫度傳感器；4溫度補償電路；5可調(diào)電容庫；40數(shù)字溫度補償電路；401模擬數(shù)字轉換器；402數(shù)字模擬轉換器；41模擬溫度補償電路；411濾波器；42含有微處理器的溫度補償子系統(tǒng)。
具體實施方式
實施例本實用新型的設計目標是利用聲表面波振蕩器的內(nèi)在優(yōu)勢，利用溫度補償系統(tǒng)解決其溫度穩(wěn)定性差的問題，來得到高頻率、高精度的SAW振蕩器，補償后的SAW的溫度穩(wěn)定度與石英晶體的溫度系數(shù)接近，并達到＜+/-20ppm的水平。關鍵技術問題在于在芯片中設計適合于SAW器件的溫度補償機制。和溫度補償晶體振蕩器不同，本實用新型的溫度補償系統(tǒng)成本較低，制造廠不需要高昂的設備投資。
實施例1如圖1所示，本實用新型的實施例1的溫度補償系統(tǒng)包括溫度傳感器3、溫度補償電路4，以及和聲表面波材料1相連的振蕩器核2，其中，振蕩器核2包括一個可調(diào)電容庫5，至少包含一個可變電容。所述可變電容庫中的可變電容可以接受數(shù)字信號或模擬信號、電流信號或電壓信號的控制，可以根據(jù)所用的溫度補償電路來選擇配套使用的可調(diào)電容。通過溫度傳感器3將測得的頻率器件的溫度信息傳遞給溫度補償電路4。溫度傳感器3采用半導體PN結二極管，也可以采用其他溫度敏感元件或電路。溫度補償電路4輸出控制信號，調(diào)節(jié)可調(diào)電容庫中的可變電容的電容值，當可調(diào)電容的電容值變化時，引起振蕩核的輸出頻率的變化。溫度補償電路4的控制信號，通過查閱存儲于溫度補償電路4的查閱表中的控制信號-溫度關系信息或者頻率-溫度信號關系信息，并經(jīng)過曲線擬合及插值得到，使振蕩核的輸出頻率能穩(wěn)定在頻率器件的標稱頻率上。
在溫度補償電路4的存儲器中，存儲的一張查閱表(Look Up Table，LUT)，記錄有N個不同溫度和對應的N個不同控制信號，即控制信號-溫度關系表，以及其他信息?？刂菩盘柨梢詾殡娏餍盘?，也可以為電壓信號，由溫度補償電路4輸出給可調(diào)電容庫5。查閱表可以存儲于寄存器、內(nèi)存等存儲器中或者是微處理器里的算法軟件中。在溫度補償電路4工作過程中，通過使用查表并經(jīng)過曲線擬合及插值的方法來獲得對應溫度信息所需的控制信號的數(shù)值。
溫度補償電路4輸出的控制信號可以由多種算法得到，包括預失真法和頻率校正法，下面將一一介紹。
預失真法通過溫度補償電路4輸出控制信號，控制信號可以為電流信號，也可以為電壓信號，改變可調(diào)電容庫中可變電容的電容值，使輸出頻率趨于頻率器件的標稱頻率，記錄此溫度值下頻率達到標稱頻率時的控制信號值，并在振蕩器使用溫度范圍內(nèi)的不同溫度下分別進行測試，得到控制信號-溫度關系曲線，即控制信號-溫度關系表。如果連續(xù)改變溫度測量所需的控制信號，則可以得到控制信號的連續(xù)溫度函數(shù)，控制信號-溫度關系曲線為一條平滑的曲線。但更普遍的情況是，只測量振蕩器正常使用溫度范圍內(nèi)的N個不同的離散溫度點(T1，T2，T3，...，Tn)，以及對應的控制信號(C1，C2，C3，...，Cn)，得到控制信號的離散溫度函數(shù)，控制信號-溫度關系曲線為一條分段的直線，所測的離散溫度點越多，分段的控制信號-溫度關系曲線越接近平滑的曲線。
頻率校正法首先測量不同溫度下的頻率器件的頻率響應，得到如圖2所示的頻率f和溫度的關系曲線，然后得到標稱頻率fc和頻率f的差值頻率同溫度的關系曲線，即校正頻率曲線，如圖3所示，在振蕩器正常使用溫度范圍內(nèi)的不同溫度下，通過溫度補償電路4輸出控制信號，改變可調(diào)電容庫5中可變電容的電容值，使輸出頻率的改變量趨于該溫度的校正頻率，從而使總的輸出頻率(對應于溫度的原輸出頻率與輸出頻率的改變量之和)趨于標稱頻率，如圖4所示。
溫度補償電路4直接查查閱表中的控制信號-溫度關系曲線或頻率信號-溫度關系信息得到相應溫度的控制信號值，但是對于處于兩個相鄰離散溫度點Ti和Ti+1之間的溫度，只能取這兩個相鄰離散溫度點上的控制信號值(Ci和Ci+1)之一作為相鄰離散溫度點之間的溫度上的控制信號值，即零階擬合。更精確的做法是，對控制信號-溫度關系曲線進行曲線擬合和插值來得到控制信號值。曲線擬合可以為一階、二階或多階擬合。在系統(tǒng)及電路實現(xiàn)中，也可以在不同的溫度范圍內(nèi)分段采用零階、一階、二階、以及多階函數(shù)擬合或插值方法來獲得所需信號。
對于一階擬合，可以采用三點擬合，所需的信號值可以表示為 其中Ti是溫度，Si是溫度Ti時的所需信號，Si可以為控制信號Ci，也可以是頻率器件的頻率fi，也可以是校正頻率fc-fi。一階擬合也可以采用其他線性的多點擬合方式。多點線性擬合比三點擬合更準確，且點數(shù)取的越多越準確，但也會使算法和實際電路更復雜。
二階擬合可以采用如下的函數(shù) 或者 其中，T0和S0分別為所需信號-溫度曲線中的曲線拐點的溫度值和信號值，測量兩組值，則可以計算得到系數(shù)A和T0的值。通過測量更多組值并取平均，可以得到更準確的A的估值。
二階擬合還可以采用如下的函數(shù) 或者 采用函數(shù)(3)需要至少測量3個溫度點的值。同樣，還可以采用三階或更高階的函數(shù)來實現(xiàn)曲線擬合。
溫度補償電路4輸出的控制信號改變可調(diào)電容庫5中一個或者多個可變電容的電容值，控制信號可以為電流信號，也可以為電壓信號，可變電容可以調(diào)節(jié)頻率器件的輸出頻率，使頻率值穩(wěn)定在標稱頻率上。聲表面波材料和振蕩器核的連接為現(xiàn)有技術，不再贅述。
此溫度補償系統(tǒng)可以利用集成電路技術，制作在同一塊芯片或一塊以上的芯片之中，具有更小的體積和更低的成本。在使用集成電路芯片的溫度補償系統(tǒng)的芯片生產(chǎn)及模塊集成過程中，山于制造的某一款芯片在個體上存在差異，或者因為頻率器件在個體上存在差異，實際的頻率-溫度信號曲線以及控制信號-溫度關系曲線可能互相有所不同，這樣統(tǒng)一的校正數(shù)據(jù)可能達不到最好的溫度補償效果。為解決這一問題，可以重新進行校正定標并獲得控制信號-溫度關系表或者頻率-溫度信號表，以及相關系數(shù)(例如A，T0，a，b，c，等等)，存儲于溫度補償電路4的查閱表中。需要重新校正信息的情況有以下幾種 1.在更換芯片制造廠商之后； 2.對于不同工藝的芯片制造技術； 3.對于芯片制造過程中不同批次生產(chǎn)的芯片； 4.對于芯片制造過程中處于晶圓不同位置的晶片； 5.其他需要重新校正定標的情況。
實施例2如圖5所示為本實施例的溫度補償系統(tǒng)的原理圖。本實施例的溫度補償系統(tǒng)，包括溫度傳感器3、溫度補償電路4、包含可調(diào)電容庫5的振蕩器核2，聲表面波材料1和振蕩器核2相連。通過溫度傳感器3將測得的頻率器件的溫度信息傳遞給溫度補償電路4。本實施例采用數(shù)字補償技術，溫度補償電路是數(shù)字溫度補償電路40，在數(shù)字溫度補償電路40和溫度傳感器3之間，連有模擬數(shù)字轉換電路401，將溫度傳感器3輸出的模擬信號轉換為數(shù)字信號，然后輸出給數(shù)字溫度補償電路40。數(shù)字溫度補償電路40通過查查閱表得到該溫度信號對應的控制信號，用來控制和振蕩器核相連的可調(diào)電容庫5中一個或者多個可變電容的電容值，從而調(diào)節(jié)頻率器件的頻率，使頻率值穩(wěn)定在標稱頻率。本實施例的可變電容可以接受數(shù)字信號的控制。查閱表和實施例1的相同，不再贅述。
實施例3對于不能受數(shù)字信號控制的可變電容，可在數(shù)字溫度補償電路40的輸出接一個數(shù)字模擬轉換器402，如圖6所示，將溫度補償電路4的數(shù)字輸出信號先轉換成模擬信號后再傳輸給可變電容，對其電容值進行控制。實施例3的其余部分和實施例2相同 實施例4本實施例的溫度補償電路4采用模擬溫度補償電路41。通過溫度傳感器1將測得的頻率器件的溫度信息直接傳遞給模擬溫度補償電路41，模擬溫度補償電路產(chǎn)生和溫度信號相應的控制信號，用來控制和振蕩器核相連的可調(diào)電容庫5中至少一個可變電容，從而調(diào)節(jié)頻率器件的頻率，使頻率保持穩(wěn)定。圖7為本實施例的系統(tǒng)原理圖。其中模擬溫度補償電路產(chǎn)生控制信號的方法和數(shù)字溫度補償電路產(chǎn)生控制信號的方法相同，采用預失真法或頻率校正法得到控制信號-溫度關系曲線，并存儲在查閱表中，并通過模擬溫度補償電路41直接查查閱表中的控制信號-溫度關系曲線得到相應溫度的控制信號值，或者對控制信號-溫度關系曲線進行曲線擬合和插值來得到控制信號值。曲線擬合可以為一階、二階或多階擬合。
實施例5為了改善溫度補償系統(tǒng)的性能，如圖8所示的實施例5的模擬溫度補償電路的輸出連接有一個濾波器411，過濾掉雜波信號，然后再和可調(diào)電容庫5中的一個或多個可變電容相連，其余部分電路和實施例4相同。
實施例6為了改善溫度補償系統(tǒng)的性能，如圖9所示的實施例9的模擬溫度補償電路是一個溫度補償子系統(tǒng)42，其中包含有微處理器，可以使用比較復雜和高精度的溫度補償算法。
以上所述，僅為本實用新型的優(yōu)選實施例，并不能以此限定本實用新型實施的范圍，凡依本實用新型權利要求及說明書內(nèi)容所作的簡單的變換，皆應仍屬于本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種聲表面波頻率器件的溫度補償系統(tǒng)，包括溫度傳感器(3)、溫度補償電路(4)、以及和聲表面波材料(1)相連的振蕩器核(2)，其特征在于所述振蕩器核(2)包括至少含有一個可變電容的可調(diào)電容庫(5)，所述溫度補償電路(4)包括存儲有控制信號-溫度關系信息查閱表或頻率信號-溫度關系信息查閱表的存儲器。
2.根據(jù)權利要求1中所述的聲表面波頻率器件的溫度補償系統(tǒng)，其特征在于所述溫度補償電路(4)可以是模擬溫度補償電路(41)或者是數(shù)字溫度補償電路(40)，或者是含有微處理器的溫度補償子系統(tǒng)(42)；當是數(shù)字溫度補償電路(40)時，在數(shù)字溫度補償電路(40)和溫度傳感器(3)之間，連接有模擬數(shù)字轉換器(401)，將溫度傳感器(3)輸出的模擬信號轉換為數(shù)字信號，然后輸出給數(shù)字溫度補償電路(40)；數(shù)字溫度補償電路(40)輸出的控制信號直接控制可調(diào)電容庫(5)中的可變電容，或者通過數(shù)字模擬轉換器(402)將數(shù)字信號轉換為模擬信號以后，再控制可變電容。
3.根據(jù)權利要求2中所述的聲表面波頻率器件的溫度補償系統(tǒng)，其特征在于所述模擬溫度補償電路(41)連接一個濾波器(411)后再和可調(diào)電容庫(5)相連。
專利摘要本實用新型公開了一種聲表面波頻率器件的溫度補償系統(tǒng)，包括溫度傳感器、溫度補償電路、以及和聲表面波材料相連的振蕩器核，所述振蕩器核包括可調(diào)電容庫，含有至少一個可變電容，所述溫度補償電路的存儲器中存儲有查閱表，包含控制信號-溫度關系信息或頻率信號-溫度關系信息。溫度補償電路可以是模擬溫度補償電路或者是數(shù)字溫度補償電路，或者是含有微處理器的溫度補償子系統(tǒng)。本實用新型能有效校正聲表面波頻率器件的溫度特性，改善頻率穩(wěn)定度，同時擁有高頻率和低相位噪聲的優(yōu)點。
文檔編號H03H9/02GK201584960SQ20092026927
公開日2010年9月15日 申請日期2009年11月11日 優(yōu)先權日2009年11月11日
發(fā)明者張達泉, 劉斌, 林勁松 申請人:蘇州麥格芯微電子有限公司