频率基准振荡器设备和稳定频率基准信号的方法技术

本发明专利技术涉及一种频率基准振荡器设备和提供频率基准信号的方法。该振荡器设备包括第一振荡器，第一振荡器包括具有第一长期稳定性和第一频率‑温度翻转温度的第一谐振器，第一振荡器能够提供第一频率信号。此外，该设备包括第二振荡器，第二振荡器包括具有逊于第一长期稳定性的第二长期稳定性和第二频率‑温度翻转温度的第二谐振器，第二振荡器能够提供第二频率信号。还安装有恒温控制器，该恒温控制器用于将第一谐振器的温度基本上调节到所述第一翻转温度并将第二谐振器的温度基本上调节到所述第二翻转温度，并且安装有稳定性控制电路，该稳定性控制电路被配置为使用第一频率信号来调节第二振荡器，以提供温度稳定和长期稳定的输出频率信号。

Frequency reference oscillator equipment and method of stabilizing frequency reference signal

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】频率基准振荡器设备和稳定频率基准信号的方法
本专利技术涉及频率基准振荡器。这种振荡器用于各种电子设备以例如提供时钟信号和/或稳定其操作频率。具体来说，本专利技术涉及炉控微电子机械系统(MEMS)振荡器(OCMO)。
技术介绍
传统频率基准振荡器包含作为谐振元件的石英晶体，该石英晶体主要确定其输出信号的频率和其他特性。虽然石英晶体稳定，但也遭受诸如相对较大尺寸和高功率需求等缺点。若干尝试已经解决了将MEMS谐振器用作石英谐振器的备选、用作稳定的频率基准的问题。基于该方法实现实际的频率基准有两个主要的技术问题。第一，具有合适的谐振频率-温度特性的MEMS谐振器倾向于具有较低的功率处理能力。即使在适度的低的驱动水平下，MEMS谐振器也可能具有非线性的响应。这还意味着谐振频率的值很大程度上取决于驱动幅度。在另一方面，如KaajakariV.等人在JournalofMicroelectromechanicalSystems13第5期(2004年10月)：715-24所著的“NonlinearLimitsforSingle-CrystalSiliconMicroresonators”中所讨论的，达到良好的相位噪声要求足够高的驱动水平。因此同时实现稳定的输出频率和良好的相位噪声很困难。实现实际的基于MEMS的频率基准的另一个问题是要具有精确到百万分之几(ppm)的输出频率，因为MEMS谐振器的谐振频率中的变化可以轻易地达到1000ppm的量级。炉控石英和MEMS振荡器(OCXO和OCMO)的基本方法是在恒定的、较高的温度下操作其谐振器元件。选择该操作温度使得其能够为振荡器提供最大的稳定性。US7068125B2,US7427905B2,US7268646B2公开了MEMS谐振器的各种实现方法，其通过使用在MEMS谐振器模具中形成的加热元件，在接近机械谐振结构的情况下在预定温度下被操作。US8669823B1公开了一种侧面轮廓模式的炉控微电子机械系统(MEMS)谐振器和用于电子机械耦合的电极结构。尽管这种方法可以用于实现低功率温控振荡器，但是该方法在提供对环境温度变化和老化时的漂移不敏感的振荡器输出频率方面存在技术问题。US7248128B2公开了一种MEMS基准振荡器，其包括一组MEMS谐振器和从该组谐振器选择所需的特性的电路。该方法中的一个缺点是其中的谐振器的谐振频率对于温度变化较敏感。为了补偿温度的影响，该文公开了一种涉及频率计的使用的方法，该频率计使用基准谐振器监测一个谐振器的频率，测量基准振荡器的温度，并在将振荡器的频率调节到所需的值时，考虑基准谐振器的温度。此外公开了一组具有不同谐振频率的多个谐振器的使用，其中一个谐振器由选择电路选择用于输出，以及涉及两个振荡器的频率求和的技术，其中一个振荡器是用于温度补偿目的可调低频振荡器，另一个振荡器是高频振荡器。US9191012B2公开了另一种温度补偿的振荡器，包括一组MEMS谐振器，其中一个谐振器用于提供振荡器的输出频率，其中一个谐振器提供用于感测该组谐振器的温度的频率，以及加热设备、控制器和连接设备，基于两个谐振频率的差值通过控制加热器来提供温度不敏感的振荡器频率。US2007/290763A1公开了另一种方法，使用若干谐振器以提供具有温度补偿输出频率的振荡器。上述这些补偿方案具有相对较低的温度稳定性，因为它们依赖的谐振器，在-40…+85℃的标准温度范围内温度漂移通常几百或甚至几千ppm，甚至最好的也有几十ppm。除了各种补偿机制外，这一事实必然引起振荡器的输出频率的显著可变性。基于MEMS谐振器的高准确度、低温度漂移和时间稳定的频率基准的实现面临技术挑战，其不能基于上述公开而被解决。具体来说，为了使炉控MEMS振荡器(OCMO)能够广泛取代炉控石英振荡器(OCXO)作为频率基准，其稳定性还需要进一步提高。
技术实现思路
本专利技术的目标是提供一种频率基准振荡器设备，其在稳定性，特别是长期的时间稳定性方面有提高。进一步的目标包括提供一种基于MEMS谐振器的、具有好的相位噪声性能和输出频率的准确定义的稳定的、温度不敏感的频率基准振荡器设备。如本文所述和权利要求所述，实现了这些目的。根据第一方面，本专利技术提供了一种频率基准振荡器设备，包括-第一振荡器，包括具有第一长期稳定性和第一频率-温度翻转温度的第一谐振器，该第一振荡器能够提供第一频率信号，-第二振荡器，包括具有逊于第一长期稳定性的第二长期稳定性和第二频率-温度翻转温度的第二谐振器，该第二振荡器能够提供第二频率信号，-恒温控制器，该恒温控制器用于将第一谐振器的温度基本上调节到所述第一翻转温度并将第二谐振器的温度基本上调节到所述第二翻转温度，以及-稳定性控制电路，该稳定性控制电路被配置为使用第一频率信号来调节第二振荡器，以提供温度稳定和长期稳定的输出频率信号。根据本专利技术进一步的方面，提供了一种稳定频率基准信号的方法，该方法包括提供上述的第一和第二谐振器，使用恒温控制器来将第一谐振器加热到所述第一翻转温度，并将第二谐振器加热到第二翻转温度，以及使用第一频率信号来调节第二振荡器，以提供稳定的输出频率信号。本专利技术具有显著的优点。第一，提供了一种输出频率在时间上稳定且具有较低温度漂移的振荡器。提出的温度补偿不基于第一或第二谐振器的频率的测量，也不基于两个或更多谐振器的任何差频测量，从而不存在此类测量产生的误差。也就是说，在本设计中，第一谐振器的温度的恒温控制可以完全独立于第一和第二谐振器的频率。本文中时间稳定性包括长期稳定性和良好的回描特性。由于恒温控制，提出的振荡器还独立于环境温度。本专利技术允许将MEMS谐振器用作第一和第二谐振器。这意味着可以实现具有更小尺寸和更低功耗的振荡器。已经发现，可以通过本设计实现小于1ppm/年的长期稳定性。此外，所谓的振荡器的回描(即，如果20ppb或更小的频率，振荡器在断电一段时间后重复频率的效果如何)被发现可以实现。具体来说，这些数值通过将第一谐振器选择为例如静电致动的单晶MEMS谐振器而被实现，该谐振器被简并掺杂并且使用独立于第一和第二谐振器的频率的恒温器将第一谐振器加热到合适的温度，可以实现石英晶体量级的温度漂移和长期稳定，甚至更好。第一谐振器稳定了第二谐振器的操作，可以相对自由地选择。例如，第二谐振器可以是在振荡器的操作频率范围内具有低相位噪声特性的“快速”MEMS谐振器。具体来说，使用高掺杂压电致动谐振器作为第二谐振器在低噪声、高固有稳定性以及将谐振器的翻转点“推”到85℃以上的能力方面提供了优点。然而第二谐振器也有可能是石英谐振器。从属权利要求涉及上述方面的所选择的实施例并提供进一步的优点。在一些实施例中，稳定性控制电路适于使用第一频率信号和利用第二频率信号的反馈回路来调节第二振荡器的频率。第一振荡器提供稳定的基本频率，而反馈回路允许频率变化的立即校正，这源于第二谐振器的特性和温度变化。因此，第二频率信号可以用作振荡器的稳定的输本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种频率基准振荡器设备，包括/n-第一振荡器，包括具有第一长期稳定性和第一频率-温度翻转温度的第一谐振器，所述第一振荡器能够提供第一频率信号，/n-第二振荡器，包括具有逊于所述第一长期稳定性的第二长期稳定性和第二频率-温度翻转温度的第二谐振器，所述第二振荡器能够提供第二频率信号，/n-恒温控制器，用于将所述第一谐振器的所述温度基本上调节到所述第一翻转温度并将所述第二谐振器的所述温度基本上调节到所述第二翻转温度，以及/n-稳定性控制电路，被配置为使用所述第一频率信号来调节所述第二振荡器的所述频率，以提供温度稳定和长期稳定的输出频率信号。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170905 FI 201757911.一种频率基准振荡器设备，包括
-第一振荡器，包括具有第一长期稳定性和第一频率-温度翻转温度的第一谐振器，所述第一振荡器能够提供第一频率信号，
-第二振荡器，包括具有逊于所述第一长期稳定性的第二长期稳定性和第二频率-温度翻转温度的第二谐振器，所述第二振荡器能够提供第二频率信号，
-恒温控制器，用于将所述第一谐振器的所述温度基本上调节到所述第一翻转温度并将所述第二谐振器的所述温度基本上调节到所述第二翻转温度，以及
-稳定性控制电路，被配置为使用所述第一频率信号来调节所述第二振荡器的所述频率，以提供温度稳定和长期稳定的输出频率信号。


2.根据权利要求1所述的设备，其中所述稳定性控制电路适于使用所述第一频率信号和利用所述第二频率信号的反馈回路来调节所述第二振荡器的所述频率，从而在所述第二振荡器的输出处获取稳定的所述输出频率信号和所述第二频率信号。


3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述稳定性控制电路在功能上独立于所述第一谐振器的所述温度。


4.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述恒温控制器在功能上独立于所述第一频率信号和所述第二频率信号。


5.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述稳定性控制电路被配置为操作所述第一振荡器并间歇使用所述第一频率信号进行所述第二振荡器的所述调节。


6.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述第一谐振器是简并掺杂的静电致动的单晶MEMS谐振器。


7.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述第二谐振器是简并掺杂的压电致动复合的MEMS谐振器，诸如氮化铝薄膜致动的硅谐振器。


8.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述第一振荡器和/或所述第二振荡器包括
-谐振器，包括平均掺杂浓度至少为9*1019cm-3的硅掺杂，
-致动器，用于将所述谐振器激发到具有特性频率-温度曲线的谐振模式，所述特性频率-温度曲线在85℃或更高的翻转温度处具有高温翻转点。


9.根据权利要求8所述的设备，其中所述谐振器的所述掺杂浓度至少为1.1*1020cm-3并且所述频率-温度曲线有两个翻转点，其中一个翻转点是所述高温翻转点，另一个翻转点可选择地是位于低于85℃的温度处的低温翻转点。


10.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述第一翻转温度和所述第二翻转温度都是85℃或更高。


11.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述第二翻转温度与所述第一翻转温度相差很大，特别地，至少相差5℃。

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【专利技术属性】
技术研发人员：A·奥加，A·贾克拉，
申请(专利权)人：京瓷帝基廷公司，
类型：发明
国别省市：芬兰;FI