专利名称：声表面波频率器件的温度补偿系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种基于声表面波的频率控制器件，尤其涉及对声表面波频率器件进
行温度补偿的系统和方法。
背景技术：
频率控制(包括频率产生)器件是大多数电子系统中必不可缺的元件。频率控 制器件通常由振荡器构成，其中最常见的是使用石英晶体构成的晶体振荡器。振荡器中有 的用外加电压对晶振的频率进行控制，组成压控晶体振荡器(VCXO， Voltage Compensated Crystal Oscillator);有的带有温度补偿，组成温度补偿晶体振荡器(TCXO， Temperature Compensated CrystalOscillator)。 温度补偿晶体振荡器虽然温度稳定性较好，但是生产成本较高。另外，我们对市场 上现有的几种高端振荡器进行了比较反台晶体振荡器的输出频率较低，在100 250MHz 之间，且制造成本较高；锁相环振荡器的相位噪声较大，且耗电量较高；声表面波的其他性 能都较好，但是温度稳定性较差， 一般在+/-100ppm的水平。 声表面波振荡器是一种高稳定、低噪声振荡源，以SAW(SurfaceAcoustic Wave)器
件为频率控制元件。声表面波是在压电晶体表面传播的机械波。采用微电子技术制作的声
表面波器件体积小重量轻，易于规模生产。声表面波(SAW)振荡器作为频率源器件，比泛音
晶体谐振器具有更低的抖动和相位噪声，在高频电路应用中具有独特的优势，应用领域十
分广阔。声表面波振荡器频率范围为250 1200MHz，是当今用于高频振荡器中最佳的材料
选择，然而其较差的温度稳定性，限制了它被广泛的使用于高频晶振之中。例如，大部分客
户的工作温度要求是从-4(TC到+85°C ，但SAW振荡器只能支持-2(TC到+70°C 。 目前还没有一个可以同时拥有高频率、高稳定性(< +/-20TOm)和低相位噪声的
频率器件及其实现方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种声表面波频率器件
的温度补偿系统和方法，提高SAW器件的温度稳定性，就可以得到同时具备高频率、高稳定
性(< +/_2(^。!11)、低相位噪声、体积小、低成本的特点的声表面波频率器件。 本发明的技术方案是本发明提出了一种声表面波频率器件的温度补偿系统，包
括温度传感器、温度补偿电路，以及和声表面波材料相连的振荡器核，所述振荡器核包括可
调电容库，含有至少一个可变电容，所述温度补偿电路的存储器中存储有查阅表，包含控制
信号_温度关系信息或频率信号_温度关系信息。
本发明的声表面波频率器件的温度补偿系统的更详细的技术方案是 所述温度补偿电路可以是模拟温度补偿电路或者是数字温度补偿电路，或者是含
有微处理器的温度补偿子系统；当是数字温度补偿电路时，在数字温度补偿电路和温度传
感器之间，连接有模拟数字转换器，将温度传感器输出的模拟信号转换为数字信号，然后输出给数字温度补偿电路；数字温度补偿电路输出的控制信号直接控制可调电容库中的可变 电容，或者通过数字模拟转换器将数字信号转换为模拟信号以后，再控制可变电容。
进一步地，所述模拟温度补偿电路连接一个滤波器后再和可调电容库相连。
所述可变电容库中的可变电容可以接受数字信号或模拟信号、电流信号或电压信 号的控制。 所述系统可以利用集成电路技术，制作在同一块芯片或一块以上的芯片之中。 本发明还提出了一种声表面波频率器件的温度补偿方法，包括如下步骤 步骤Sl :通过温度传感器将测得的频率器件的温度信息传递给温度补偿电路； 步骤S2 :系统查阅存储于温度补偿电路中的查阅表或其他与温度相应的信息，产
生控制信号，用来控制振荡器核的可调电容库中至少一个可变电容的电容值； 步骤S3 :可变电容调节频率器件的频率，使频率稳定在标称频率。
本发明的声表面波频率器件的温度补偿方法的更详细的技术方案是 所述温度补偿电路中存有查阅表，采用预失真法得到控制信号值，首先在振荡器
使用温度范围内的不同温度下，通过温度补偿电路输出控制信号，改变可调电容库中可变
电容的电容值，使输出频率稳定在标称频率，然后分别记录各温度时的控制信号值，得到控
制信号_温度关系信息，并存储在查阅表中。 所述温度补偿电路存有查阅表，采用频率校正法得到控制信号值，首先测量不同 温度下的频率器件的频率响应，得到频率f和温度的关系信息，然后得到标称频率f。和频 率f的差值频率同温度的关系信息，即校正频率信息，在振荡器使用温度范围内的不同温 度下，通过温度补偿电路输出控制信号，改变可调电容库中可变电容的电容值，使输出频率 趋于该温度的校正频率，记录各温度时的控制信号值，得到控制信号_温度关系信息，存储 在查阅表中。 所述温度补偿电路直接通过查阅表得到相应温度的控制信号值，或者对查阅表中 的控制信号-温度关系信息进行全段或者不同温度范围内分段采用零阶、一阶、二阶、多阶 函数拟合或插值方法来获得所需控制信号。 进一步地，可以重新进行校正定标并获得控制信号-温度关系表或者频率-温度 信号表，以及相关系数，存储于温度补偿电路的查阅表中。 本发明的优点是本发明采用的温度补偿系统和方法，能有效校正声表面波频 率器件的温度特性，采用温度补偿系统后的声表面波频率器件可以改善频率稳定度至 < +/-20ppm以下的水平，同时拥有高频率和低相位噪声的优点，并适合于集成在集成电路 芯片中或者采用微处理器控制。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述 图1为本发明的实施例1的系统原理图； 图2为本发明的实施例的频率-温度关系曲线示意图； 图3为本发明的实施例的校正频率曲线示意图； 图4为本发明的实施例进行温度补偿后的频率-温度关系曲线示意图； 图5为本发明的实施例2的系统原理 图6为本发明的实施例3的系统原理图；
图7为本发明的实施例4的系统原理图；
图8为本发明的实施例5的系统原理图；
图9为本发明的实施例6的系统原理图。 其中1声表面波材料；2振荡器核；3温度传感器；4温度补偿电路；5可调电容 库；40数字温度补偿电路；401模拟数字转换器；402数字模拟转换器；41模拟温度补偿电 路；411滤波器；42含有微处理器的温度补偿子系统。
具体实施例方式
本发明的设计目标是利用声表面波振荡器的内在优势，利用温度补偿系统解决其 温度稳定性差的问题，来得到高频率、高精度的SAW振荡器，补偿后的SAW的温度稳定度与 石英晶体的温度系数接近，并达到<+/-2(^。!11的水平。关键技术问题在于在芯片中设计适 合于SAW器件的温度补偿机制。和温度补偿晶体振荡器不同，本发明的温度补偿系统成本 较低，制造厂不需要高昂的设备投资。 实施例1 :如图1所示，本发明的实施例1的温度补偿系统包括温度传感器3、温度 补偿电路4，以及和声表面波材料1相连的振荡器核2，其中，振荡器核2包括一个可调电容 库5，至少包含一个可变电容。所述可变电容库中的可变电容可以接受数字信号或模拟信 号、电流信号或电压信号的控制，可以根据所用的温度补偿电路来选择配套使用的可调电 容。通过温度传感器3将测得的频率器件的温度信息传递给温度补偿电路4。温度传感器 3采用半导体PN结二极管，也可以采用其他温度敏感元件或电路。温度补偿电路4输出控 制信号，调节可调电容库中的可变电容的电容值，当可调电容的电容值变化时，引起振荡核 的输出频率的变化。温度补偿电路4的控制信号，通过查阅存储于温度补偿电路4的查阅 表中的控制信号-温度关系信息或者频率-温度信号关系信息，并经过曲线拟合及插值得 到，使振荡核的输出频率能稳定在频率器件的标称频率上。 在温度补偿电路4的存储器中，存储的一张查阅表(Look Up Table, LUT)，记录有 N个不同温度和对应的N个不同控制信号，即控制信号-温度关系表，以及其他信息。控制 信号可以为电流信号，也可以为电压信号，由温度补偿电路4输出给可调电容库5。查阅表 可以存储于寄存器、内存等存储器中或者是微处理器里的算法软件中。在温度补偿电路4 工作过程中，通过使用查表并经过曲线拟合及插值的方法来获得对应温度信息所需的控制 信号的数值。 温度补偿电路4输出的控制信号可以由多种算法得到，包括预失真法和频率校 正法，下面将一一介绍。 预失真法通过温度补偿电路4输出控制信号，控制信号可以为电流信号，也可以 为电压信号，改变可调电容库中可变电容的电容值，使输出频率趋于频率器件的标称频率， 记录此温度值下频率达到标称频率时的控制信号值，并在振荡器使用温度范围内的不同温 度下分别进行测试，得到控制信号-温度关系曲线，即控制信号-温度关系表。如果连续改 变温度测量所需的控制信号，则可以得到控制信号的连续温度函数，控制信号-温度关系 曲线为一条平滑的曲线。但更普遍的情况是，只测量振荡器正常使用温度范围内的N个不 同的离散温度点(Tl， T2， T3， . . . ， Tn)，以及对应的控制信号(Cl， C2， C3， . . . ， Cn)，得到控制信号的离散温度函数，控制信号-温度关系曲线为一条分段的直线，所测的离散温度点 越多，分段的控制信号_温度关系曲线越接近平滑的曲线。 频率校正法首先测量不同温度下的频率器件的频率响应，得到如图2所示的频 率f和温度的关系曲线，然后得到标称频率f 。和频率f的差值频率同温度的关系曲线，即校 正频率曲线，如图3所示，在振荡器正常使用温度范围内的不同温度下，通过温度补偿电路 4输出控制信号，改变可调电容库5中可变电容的电容值，使输出频率的改变量趋于该温度 的校正频率，从而使总的输出频率(对应于温度的原输出频率与输出频率的改变量之和) 趋于标称频率，如图4所示。 温度补偿电路4直接查查阅表中的控制信号-温度关系曲线或频率信号-温度关 系信息得到相应温度的控制信号值，但是对于处于两个相邻离散温度点1\和Ti+1之间的温 度，只能取这两个相邻离散温度点上的控制信号值和Ci+1)之一作为相邻离散温度点之 间的温度上的控制信号值，即零阶拟合。更精确的做法是，对控制信号-温度关系曲线进行 曲线拟合和插值来得到控制信号值。曲线拟合可以为一阶、二阶或多阶拟合。在系统及电 路实现中，也可以在不同的温度范围内分段采用零阶、一阶、二阶、以及多阶函数拟合或插 值方法来获得所需信号。 对于一阶拟合，可以采用三点拟合，所需的信号值可以表示为
r —:rs = & + r — Td - A) (l) 其中&是温度，Si是温度1\时的所需信号，Si可以为控制信号Ci，也可以是频率器 件的频率fi，也可以是校正频率f。-fi。 一阶拟合也可以采用其他线性的多点拟合方式。多 点线性拟合比三点拟合更准确，且点数取的越多越准确，但也会使算法和实际电路更复杂。
二阶拟合可以采用如下的函数 3 = jos —&)2 ，或者^^ = j(r-:r。)2 (2) 其中，T。和S。分别为所需信号-温度曲线中的曲线拐点的温度值和信号值，测量 两组值，则可以计算得到系数A和T。的值。通过测量更多组值并取平均，可以得到更准确 的A的估值。 二阶拟合还可以采用如下的函数 ^^ = a + 6r + cr2 ，或者^^a + M + cS2 (3) 采用函数(3)需要至少测量3个温度点的值。同样，还可以采用三阶或更高阶的 函数来实现曲线拟合。 温度补偿电路4输出的控制信号改变可调电容库5中一个或者多个可变电容的电 容值，控制信号可以为电流信号，也可以为电压信号，可变电容可以调节频率器件的输出频 率，使频率值稳定在标称频率上。声表面波材料和振荡器核的连接为现有技术，不再赘述。
此温度补偿系统可以利用集成电路技术，制作在同一块芯片或一块以上的芯片之 中，具有更小的体积和更低的成本。在使用集成电路芯片的温度补偿系统的芯片生产及模 块集成过程中，由于制造的某一款芯片在个体上存在差异，或者因为频率器件在个体上存 在差异，实际的频率_温度信号曲线以及控制信号_温度关系曲线可能互相有所不同，这样
7统一的校正数据可能达不到最好的温度补偿效果。为解决这一问题，可以重新进行校正定
标并获得控制信号_温度关系表或者频率_温度信号表，以及相关系数(例如A， T。， a， b，
c，等等)，存储于温度补偿电路4的查阅表中。需要重新校正信息的情况有以下几种 1.在更换芯片制造厂商之后； 2.对于不同工艺的芯片制造技术； 3.对于芯片制造过程中不同批次生产的芯片； 4.对于芯片制造过程中处于晶圆不同位置的晶片； 5.其他需要重新校正定标的情况。 实施例2 :如图5所示为本实施例的温度补偿系统的原理图。本实施例的温度补 偿系统，包括温度传感器3、温度补偿电路4、包含可调电容库5的振荡器核2，声表面波材料 1和振荡器核2相连。通过温度传感器3将测得的频率器件的温度信息传递给温度补偿电 路4。本实施例采用数字补偿技术，温度补偿电路是数字温度补偿电路40，在数字温度补偿 电路40和温度传感器3之间，连有模拟数字转换电路401 ，将温度传感器3输出的模拟信号 转换为数字信号，然后输出给数字温度补偿电路40。数字温度补偿电路40通过查查阅表得 到该温度信号对应的控制信号，用来控制和振荡器核相连的可调电容库5中一个或者多个 可变电容的电容值，从而调节频率器件的频率，使频率值稳定在标称频率。本实施例的可变 电容可以接受数字信号的控制。查阅表和实施例1的相同，不再赘述。
实施例3 :对于不能受数字信号控制的可变电容，可在数字温度补偿电路40的输 出接一个数字模拟转换器402，如图6所示，将温度补偿电路4的数字输出信号先转换成模 拟信号后再传输给可变电容，对其电容值进行控制。实施例3的其余部分和实施例2相同
实施例4 :本实施例的温度补偿电路4采用模拟温度补偿电路41。通过温度传感 器1将测得的频率器件的温度信息直接传递给模拟温度补偿电路41，模拟温度补偿电路产 生和温度信号相应的控制信号，用来控制和振荡器核相连的可调电容库5中至少一个可变 电容，从而调节频率器件的频率，使频率保持稳定。其中模拟温度补偿电路产生控制信号的 方法和数字温度补偿电路产生控制信号的方法相同，采用预失真法或频率校正法得到控制 信号-温度关系曲线，并存储在查阅表中，并通过模拟温度补偿电路41直接查查阅表中的 控制信号_温度关系曲线得到相应温度的控制信号值，或者对控制信号_温度关系曲线进 行曲线拟合和插值来得到控制信号值。曲线拟合可以为一阶、二阶或多阶拟合。
实施例5 :为了改善温度补偿系统的性能，如图8所示的实施例5的模拟温度补偿 电路的输出连接有一个滤波器411，过滤掉杂波信号，然后再和可调电容库5中的一个或多 个可变电容相连，其余部分电路和实施例4相同。 实施例6 :为了改善温度补偿系统的性能，如图9所示的实施例6的模拟温度补偿 电路是一个温度补偿子系统42，其中包含有微处理器，可以使用比较复杂和高精度的温度 补偿算法。 以上所述，仅为本发明的优选实施例，并不能以此限定本发明实施的范围，凡依本 发明权利要求及说明书内容所作的简单的变换，皆应仍属于本发明覆盖的保护范围。
权利要求
一种声表面波频率器件的温度补偿系统，包括温度传感器(3)、温度补偿电路(4)和与声表面波材料(1)相连的振荡器核(2)，其特征在于所述振荡器核(2)包括可调电容库(5)，至少含有一个可变电容，所述温度补偿电路(4)的存储器中存储有查阅表，包含控制信号-温度关系信息或频率信号-温度关系信息。
2. 根据权利要求1中所述的声表面波频率器件的温度补偿系统，其特征在于所述温 度补偿电路(4)可以是模拟温度补偿电路(41)或者是数字温度补偿电路(40)，或者是含 有微处理器的温度补偿子系统(42);当是数字温度补偿电路(40)时，在数字温度补偿电路 (40)和温度传感器(3)之间，连接有模拟数字转换器(401)，将温度传感器(3)输出的模拟 信号转换为数字信号，然后输出给数字温度补偿电路(40);数字温度补偿电路(40)输出的 控制信号直接控制可调电容库(5)中的可变电容，或者通过数字模拟转换器(402)将数字 信号转换为模拟信号以后，再控制可变电容。
3. 根据权利要求2中所述的声表面波频率器件的温度补偿系统，其特征在于所述模 拟温度补偿电路(41)连接一个滤波器(411)后再和可调电容库(5)相连。
4. 根据权利要求1中所述的声表面波频率器件的温度补偿系统，其特征在于所述可 变电容库(5)中的可变电容可以接受数字信号或模拟信号、电流信号或电压信号的控制。
5. 根据权利要求1或2中所述的声表面波频率器件的温度补偿系统，其特征在于所 述系统可以利用集成电路技术，制作在同一块芯片或一块以上的芯片之中。
6. —种声表面波频率器件的温度补偿方法，其特征在于包括如下步骤步骤S1 :通过温度传感器(1)将测得的频率器件的温度信息传递给温度补偿电路(4);步骤S2:系统查阅存储于温度补偿电路(4)中的查阅表或其他与温度相应的信息，产 生控制信号，用来控制振荡器核(2)的可调电容库(5)中至少一个可变电容的电容值； 步骤S3 :可变电容调节频率器件的频率，使频率稳定在标称频率。
7. 根据权利要求6中所述的声表面波频率器件的温度补偿方法，其特征在于所述温度补偿电路(4)中存有查阅表，采用预失真法得到控制信号值，首先在振荡器使用温度范 围内的不同温度下，通过温度补偿电路(4)输出控制信号，改变可调电容库(5)中可变电容的电容值，使输出频率稳定在标称频率，然后分别记录各温度时的控制信号值，得到控制信 号-温度关系信息，并存储在查阅表中。
8. 根据权利要求6中所述的声表面波频率器件的温度补偿方法，其特征在于所述温度补偿电路(4)存有查阅表，采用频率校正法得到控制信号值，首先测量不同温度下的频率器件的频率响应，得到频率f和温度的关系信息，然后得到标称频率f。和频率f的差值 频率同温度的关系信息，即校正频率信息，在振荡器使用温度范围内的不同温度下，通过温度补偿电路(4)输出控制信号，改变可调电容库(5)中可变电容的电容值，使输出频率趋于该温度的校正频率，记录各温度时的控制信号值，得到控制信号-温度关系信息，存储在查阅表中。
9. 根据权利要求6中所述的声表面波频率器件的温度补偿方法，其特征在于所述温度补偿电路(4)直接通过查阅表得到相应温度的控制信号值，或者对查阅表中的控制信号-温度关系信息进行全段或者不同温度范围内分段采用零阶、一阶、二阶、多阶函数拟合 或插值方法来获得所需控制信号。
10.根据权利要求6至9中任意一项所述的声表面波频率器件的温度补偿方法，其特征 在于可以重新进行校正定标并获得控制信号-温度关系表或者频率-温度信号表，以及相 关系数，存储于温度补偿电路(4)的查阅表中。
全文摘要
本发明公开了一种声表面波频率器件的温度补偿系统，包括温度传感器、温度补偿电路和与声表面波材料相连的振荡器核，温度补偿电路可以是数字补偿电路或模拟补偿电路，并且可以集成在一个或多个集成电路芯片上，且存有查阅表，存储控制信号-温度关系曲线等信息。本发明还公开了一种声表面波频率器件的温度补偿方法，通过温度传感器将测得的频率器件的温度信息传递给温度补偿电路，温度补偿电路查阅查阅表，产生和温度信号相应的控制信号，用来控制振荡器核中的可调电容库中至少一个可变电容，从而调节频率器件的频率，使频率稳定在标称频率。本发明能有效校正声表面波频率器件的温度特性，改善频率稳定度，同时拥有高频率和低相位噪声的优点。
文档编号H03H9/02GK101714872SQ20091022093
公开日2010年5月26日 申请日期2009年11月11日 优先权日2009年11月11日
发明者刘斌, 张达泉, 林劲松 申请人:苏州麦格芯微电子有限公司