一种用于晶体振荡器的温度补偿电路制造技术

本发明专利技术属于集成电路领域，具体为一种用于晶体振荡器的温度补偿电路。本发明专利技术的温度补偿电路产生对温度呈三次方函数的基准电压Vref，在控制信号Cont_Rm1、Cont_Rm2、Cont_Rm3和Cont_NL作用下，实现对输出基准电压的大小、一次项系数、二次项系数、三次项系数的控制，从而根据不同的晶体的温度‑频率特性，改变基准电压的温度系数以及零温度系数点。该基准电压控制变容二极管的容值，从而精确补偿晶体振荡器的振荡频率因温度变化产生的偏移，提高频率的温度稳定度。本发明专利技术实现了对不同温度特性的晶体，产生温度系数以及零温度系数点不同的基准电压，灵活性高，补偿精度高，电路结构简单，成本低，易于小型化和集成化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于集成电路领域，涉及晶体振荡器的温度补偿电路，具体为一种对温度呈三次方函数的基准电压产生电路。
技术介绍
晶体振荡器作为稳定的频率源广泛应用于便携式电子设备以及无线通信技术等领域，其频率对温度变化的稳定度是衡量晶体振荡器性能优劣的重要指标之一。温度补偿晶体振荡器通过温度补偿网络减小晶体振荡器输出频率因温度变化产生的偏移，从而提高频率稳定度。对于常用于晶体振荡器的AT切型石英谐振器，其谐振频率和温度的关系用三次曲线描述，具体为：f(T)＝f0+A·(T-T0)+B·(T-T0)2+C·(T-T0)3 (1)其中，T是绝对温度，f是温度T下的谐振频率，f0是温度为T0时的标称频率，T0是参考温度，也是温度-频率特性曲线的拐点，A、B、C分别是温度-频率关系式中一次项、二次项、三次项的系数。为了补偿晶体的谐振频率因温度变化产生的偏移，在晶体谐振器支路上串联一变容二极管，变容二极管的容值由其两端的电压控制，通过改变电压改变变容二极管的容值，从而改变谐振器的负载电容，使谐振器的谐振频率向减小频率偏移的方向变化，减小频率偏移量，提高晶体振荡器的频率稳定度。变容二极管的控制电压对晶体谐振频率的改变用线性函数近似描述，具体为：f(V)＝f0-G(V-V0) (2)其中，G是增益，V0是参考电压。为了补偿谐振器谐振频率的偏移量，必须有：Δf(T)＝-Δf(V) (3)则变容二极管的控制电压和温度的关系表示为：V(T)＝V0+a·(T-T0)+b·(T-T0)2+c·(T-T0)3 (4)其中，a＝A/G，b＝B/G，c＝C/G，该电压对温度呈三次方函数关系，晶振电路温度补偿技术的关键是产生对温度呈三次方函数的控制电压V(T)，使晶体振荡器的频率-温度特性曲线接近理想的f(T)＝f0。目前晶振电路的温补技术有模拟温度补偿、数字温度补偿以及微处理器温度补偿等技术。数字温度补偿技术由于采用了A/D、D/A、存储器、温度传感器等模块使得系统的成本较高，且由于频率跳变现象增加了晶振电路的相位噪声；微处理器温度补偿技术更是由于采用了微处理器、A/D、D/A以及滤波器等外围电路模块不易实现集成化和小型化。模拟温度补偿技术更容易产生连续的电压，且易于集成化和小型化。目前的模拟温度补偿技术中，大多采用分段补偿的方式，分别产生对高温段和低温段进行补偿的电压，求和后得到在全温度范围内对温度呈三次函数关系的补偿电压，且采用参数写入RAM和PROM的方式调节式(4)中的各次项系数。现有的模拟温度补偿技术，不仅电路结构复杂，电路功耗大，不利于芯片集成的小型化实现，而且难以实现控制电压各次项系数可调的要求，不能适用于不同的晶体。
技术实现思路
针对现有晶体振荡器温度补偿网络成本高、电路结构复杂、不易集成化和小型化的缺点，本专利技术提供了一种用于晶体振荡器的温度补偿电路，该温度补偿电路根据不同晶体的温度特性，产生大小和温度系数可调的对温度呈三次方函
数的基准电压，该基准电压通过控制变容二极管的容值改变晶体的负载电容，从而补偿晶体振荡频率因温度变化产生的偏移，提高频率稳定度。本专利技术的技术方案如下：一种用于晶体振荡器的温度补偿电路，包括启动电路、可调的PTAT(proportional to absolute temperature)电流源、可调的CTAT(complementary to absolute temperature)电流源、可调的非线性电流源、电流求和模块以及可调的电流-电压转换器。启动电路用于在电源上电瞬间，给可调的PTAT电流源提供非零的直流工作点。电路启动完成后，启动电路关闭，不消耗电流；可调的PTAT电流源产生大小和一次项系数不同的PTAT电流；可调的CTAT电流源产生大小和一次项系数不同的CTAT电流；可调的非线性电流源产生大小、一次项系数、二次项系数、三次项系数均不同的非线性电流；电流求和模块对所述PTAT电流、CTAT电流以及非线性电流求模，产生对温度呈三次方函数的电流；可调的电流-电压转换器将电流转换为电压，该电压对温度呈三次方函数关系，用于控制晶体振荡器中变容二极管的容值，补偿晶体的振荡频率因温度变化产生的偏移。在控制信号Cont_Rm1、Cont_Rm2、Cont_Rm3和Cont_NL作用下，分别调节PTAT电流、CTAT电流、非线性电流的温度系数以及基准电压的大小，从而根据不同晶体的温度-频率特性调节该基准电压的大小和温度系数。进一步地，所述启动电路包括P型MOS管MS1、MS2以及电容C1。MS1的栅接VA，漏接MS2的栅，源接电源VCC，MS2的栅接MS1的漏和电容C1
的正端，源接电源VCC，漏接MN1的栅，电容C1的负端接地电位。进一步地，所述可调的PTAT电流源包括4个P型MOS管，分别为MP1、MP2、MP3和MP4，4个N型MOS管，分别为MN1、MN2、MN3和MN4以及m×n个忆阻器组成的忆阻器网络Rm1，m＞1，n＞1。MP1的源接电源VCC，栅和漏以二极管连接的形式接在一起，且接MP3的源和MP2的栅；MP2的源与忆阻器网络Rm1的一端相连，漏接MP4的源；MP3和MP4的栅接在一起，漏分别与MN1和MN2的漏相连，MP3的栅同时还接MP3的漏；MP2的衬底与源端相连消除了衬偏效应，MP1、MP3和MP4的衬底都接电源VCC；忆阻器网络Rm1的另一端接电源VCC；MN1的漏接MP3的漏，源接MN3的漏，栅接MN2的栅与漏；MN2的漏接MP4的漏，源接MN4的漏；MN3和MN4的栅相连，且接MN4的漏，MN3和MN4的源都接地电位；MN1、MN2、MN3和MN4的衬底都接地电位。进一步地，上述可调的PTAT电流源中，P型MOS管MP1、MP2和忆阻器网络Rm1产生正温度系数的电流，即PTAT电流；P型MOS管MP3和MP4组成电流镜；N型MOS管MN1、MN2、MN3和MN4组成共源共栅电流镜，共栅管MN1和MN2有效隔离了电源电压的波动，提高了PTAT电流源的PSRR。进一步地，所述MP1和MP2工作在亚阈区，其个数比为1：N，即MP1由1个单元的MOS管组成，MP2由N个单元的MOS管并联组成，则其宽长比为：(W/L)MP1:(W/L)MP2＝1:N(N≥2)。流过MP1和MP2的电流相等，且都为PTAT电流。由MP1和MP2的电流电压关系以及电路的连接关系，该PTAT电流表示为： I P T A T = k T qR m 1 l n N = α 11 T - - - ( 5 ) 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于晶体振荡器的温度补偿电路，包括启动电路、可调的PTAT电流源、可调的CTAT电流源、可调的非线性电流源、电流求和模块以及可调的电流‑电压转换器，其特征在于：所述启动电路包括P型MOS管MS1、MS2以及电容C1；用于在电源上电瞬间，给可调的PTAT电流源提供非零的直流工作点，电路启动完成后，启动电路关闭，不消耗电流；MS1的栅接VA，漏接MS2的栅，源接电源VCC，MS2的栅接MS1的漏和电容C1的正端，源接电源VCC，漏接MN1的栅，电容C1的负端接地电位；所述可调的PTAT电流源包括4个P型MOS管，分别为MP1、MP2、MP3和MP4，4个N型MOS管，分别为MN1、MN2、MN3和MN4以及m×n个忆阻器组成的忆阻器网络Rm1，m＞1，n＞1；Rm1内部带有擦写电路，通过控制信号Cont_Rm1实现任意阻值，产生大小和一次项系数不同的PTAT电流；MP1的源接电源VCC，栅和漏以二极管连接的形式接在一起，且接MP3的源和MP2的栅；MP2的源与忆阻器网络Rm1的一端相连，漏接MP4的源；MP3和MP4的栅接在一起，漏分别与MN1和MN2的漏相连，MP3的栅同时还接MP3的漏；MP2的衬底与源端相连消除了衬偏效应，MP1、MP3和MP4的衬底都接电源VCC；忆阻器网络Rm1的另一端接电源VCC；MN1的漏接MP3的漏，源接MN3的漏，栅接MN2的栅与漏；MN2的漏接MP4的漏，源接MN4的漏；MN3和MN4的栅相连，且接MN4的漏，MN3和MN4的源都接地电位；MN1、MN2、MN3和MN4的衬底都接地电位；所述可调的CTAT电流源包括P型MOS管MP5和MP6，N型MOS管MN5、MN6、MN7和MN9，运放OPA以及m×n个忆阻器组成的忆阻器网络Rm2，m＞1，n＞1；Rm2内部带有擦写电路，通过控制信号Cont_Rm2实现任意阻值，产生大小和一次项系数不同的CTAT电流；MP5的栅漏以二极管形式接在一起，且接运放OPA的同相输入端，源和衬底接电源VCC；MP6的栅接运放OPA的输出端，源接运放OPA的反相输入端，且与忆阻器网络Rm2的一端相连；忆阻器网络Rm2的另一端与电源VCC相连；MN5和MN6栅分别接MN2和MN4的栅，MN5的源接MN6的漏，漏接MP5的漏，MN6的源接地电位；MN7的栅和漏以二极管连接的形式接在一起，且接MP6的漏，源接MN9的漏；MN9的栅漏接一起且与MN7的源相连，源接地电位；MN5、MN6、MN7和MN9的衬底都接地电位；所述可调的非线性电流源由M1～Mk的k个N型MOS管，SW1～SWk的k个选择开关以及译码器S组成；在Cont_NL控制下产生大小、一次项系数、二次项系数、三次项系数均不同的非线性电流；M1～Mk的k个N型MOS管的栅端与各自的源端分别相连，漏端分别与SW1～SWk的选择开关的一端相连，衬底都与地电位相连；SW1～SWk的k个选择开关的另一端接在一起且与MN8的漏相连；译码器S的输出信号Cont_1～Cont_k分别控制SW1～SWk的开关，译码器的输入接控制信号Cont_NL；所述电流求和模块包括N型MOS管MN8、MN10、MN11以及MN12；对所述PTAT电流、CTAT电流以及非线性电流求模，产生对温度呈三次方函数的电流；MN7、MN8、MN9和MN10组成共源共栅电流镜镜像CTAT电流，MN8的栅接MN7的栅，源接MN10的漏，漏接MN11的漏；MN10的栅接MN9的栅，源接地电位；同理，MN2、MN4、MN11和MN12组成共源共栅电流镜镜像PTAT电流，MN11的栅接MN2的栅，源接MN12的漏，MN12的栅接MN4的栅，漏接MN11的源，源接地电位；MN8、MN10、MN11和MN12的衬底都接地电位，同时MN8的漏和MN11的漏相连，且接非线性电流的输出端，形成基准电流Iref；所述可调的电流‑电压转换器包括m×n个忆阻器组成的忆阻器网络Rm3，忆阻器网络Rm3的一端接电源VCC，另一端接MN8的漏；将电流转换为电压，该电压对温度呈三次方函数关系，用于控制晶体振荡器中变容二极管的容值，补偿晶体的振荡频率因温度变化产生的偏移；忆阻器网络Rm3内部带有擦写电路，通过控制信号Cont_Rm3的控制，实现任意阻值，从而根据变容二极管的特性，调节基准电压Vref的大小。...

【技术特征摘要】
1.一种用于晶体振荡器的温度补偿电路，包括启动电路、可调的PTAT电流源、可调的CTAT电流源、可调的非线性电流源、电流求和模块以及可调的电流-电压转换器，其特征在于：所述启动电路包括P型MOS管MS1、MS2以及电容C1；用于在电源上电瞬间，给可调的PTAT电流源提供非零的直流工作点，电路启动完成后，启动电路关闭，不消耗电流；MS1的栅接VA，漏接MS2的栅，源接电源VCC，MS2的栅接MS1的漏和电容C1的正端，源接电源VCC，漏接MN1的栅，电容C1的负端接地电位；所述可调的PTAT电流源包括4个P型MOS管，分别为MP1、MP2、MP3和MP4，4个N型MOS管，分别为MN1、MN2、MN3和MN4以及m×n个忆阻器组成的忆阻器网络Rm1，m＞1，n＞1；Rm1内部带有擦写电路，通过控制信号Cont_Rm1实现任意阻值，产生大小和一次项系数不同的PTAT电流；MP1的源接电源VCC，栅和漏以二极管连接的形式接在一起，且接MP3的源和MP2的栅；MP2的源与忆阻器网络Rm1的一端相连，漏接MP4的源；MP3和MP4的栅接在一起，漏分别与MN1和MN2的漏相连，MP3的栅同时还接MP3的漏；MP2的衬底与源端相连消除了衬偏效应，MP1、MP3和MP4的衬底都接电源VCC；忆阻器网络Rm1的另一端接电源VCC；MN1的漏接MP3的漏，源接MN3的漏，栅接MN2的栅与漏；MN2的漏接MP4的漏，源接MN4的漏；MN3和MN4的栅相连，且接MN4的漏，MN3和MN4的源都接地电位；MN1、MN2、MN3和MN4的衬底都接地电位；所述可调的CTAT电流源包括P型MOS管MP5和MP6，N型MOS管MN5、MN6、MN7和MN9，运放OPA以及m×n个忆阻器组成的忆阻器网络Rm2，m＞1，n＞1；Rm2内部带有擦写电路，通过控制信号Cont_Rm2实现任意阻值，产生大小和一次项系数不同的CTAT电流；MP5的栅漏以二极管形式接在一起，且接运放OPA的同相输入端，源和衬底接电源VCC；
\tMP6的栅接运放OPA的输出端，源接运放OPA的反相输入端，且与忆阻器网络Rm2的一端相连；忆阻器网络Rm2的另一端与电源VCC相连；MN5和MN6栅分别接MN2和MN4的栅，MN5的源接MN6的漏，漏接MP5的漏，MN6的源接地电位；MN7的栅和漏以二极管连接的形式接在一起，且接MP6的漏，源接MN9的漏；MN9的栅漏接一起且与MN7的源相连，源接地电位；MN5、MN6、MN7和MN9的衬底都接地电位；所述可调的非线性电流源由M1～Mk的k个N型MOS管，SW1～SWk的k个选择开关以及译码器S组成；在Cont_NL控制下产生大小、一次项系数、二次项系数、三次项系数均不同的非线性电流；M1～Mk的k个N型MOS管的栅端与各自的源端分别相连，漏端分别与SW1～SWk的选择开关的一端相连，衬底都与地电位相连；SW1～SWk的k个选择开关的另一端接在一起且与MN8的漏相连；译码器S的输出信号Cont_1～Cont_k分别控制SW1～SWk的开关，译码器的输入接控制信号Cont_NL；所述电流求和模块包括N型MOS管MN8、MN10、MN11以及MN12；对...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋，高宝玲，徐振涛，郭睿，王俊杰，雷旭，于奇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51