一种用于晶振温度补偿的模拟高阶幂函数发生电路的制作方法
【专利摘要】一种用于晶振温度补偿的模拟高阶幂函数发生电路，涉及晶体温度特性补偿电路【技术领域】。本发明包括依次连接的温度传感器、幂函数电流产生电路、跨阻放大器与电压加法器。温度传感器通过将外部温度转换成对应的线性的电压函数送入幂函数电流产生电路的输入端，幂函数电流产生电路将信息转换为对应的高阶函数曲线并通过跨阻放大器转换为电压，再通过电压加法器与一阶函数、零阶校准函数相加成所需电压。所述幂函数电流产生电路包括i+j个带有射极负反馈的双极型类限幅差分对，其中i是大于等于4的整数，j为大于等于1的整数。本发明是一种适于集成、低噪声、面向宽中心温度偏移范围的高次幂函数产生电路，非常适于对高精度要求的晶体振荡器进行温度补偿。
【专利说明】一种用于晶振温度补偿的模拟高阶幂函数发生电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及晶体温度特性补偿电路【技术领域】，特别是用于拟合高阶η次幂函数的近似η次幂函数的发生电路。
【背景技术】
[0002]对于通常用于晶体振荡器的A T切的晶体谐振器而言，温度变化与固有的振荡频率的关系可以表示为近似三次函数~"贝克曼曲线”。高次函数的扩展可以使此频率-温度曲线的拟合更准确。它的五次函数扩展可以表示为如下的形式。
(Τ-T0) 3 — A4 <:T-T0) V +.4 J T- Τ?\- 4- Aji ?- TfJ\ 4-.40 [ I )
[0003]其中，f是输出频率,A5是五次项系数，A4是四次项系数，A3是二次项系数，A1是一次项的斜率，而Atl则是频率偏移。Ttl是曲线的中心温度，也即函数拐点的位置，通常情况下认为处于25到30°C的范围，然而实际情况中，由于AT切的晶体频率-温度特性与切角相关，根据晶体厂提供的数据，该拐点的范围会扩展到20到34°C的范围。
[0004]由于石英晶体具有的压电特性，所以可以通过电压控制的方式来对晶振的温度曲线进行补偿，也就是频率-温度曲线可以被转换为所述高次幂函数所产生的一个随温度变化的电压特性与频率的关系。
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^C=H5 α.-Τ?) J 十 U4 (J-T0) 4+!i^T-r0f-Mj(T-Tfj)十 Ββ (4)
[0005]其中，VC是总的控制电压，VC0是名义输入电压，AVC是由所述高次幂函数发生装置产生的用于晶体温度补偿的控制电压。B5是五次项系数，B4是四次项系数，B3是三次项系数，B1是一次项的斜率，而Btl则是常数项。该控制电压VC需要考虑不同的Ttl所带来的结果，所以需要有一个较宽的范围。考虑到集成电路实现中的匹配性问题，实际电路的温度覆盖范围将比20到34°C的范围更宽。
[0006]现有技术中，由于Ttl的显著偏差使得上述电路必须具有用于产生与之相应的控制电压所需的更宽的调整范围，而且该电路必须考虑超出调整范围之外的温度情况；同时Ttl的显著偏差使得温度范围内的高次幂函数曲线呈现明显的不对称性。以一个实际例子为例，现要求校准在-40C到85C之间的曲线，考虑到覆盖中心温度Ttl的偏移从20到34°C范围的要求，由于集成电路中存在的明显的失配与参数误差等现象，会使设计电路的实际覆盖的中心温度Ttl的范围达到15到40°C，这意味着电路设计必须保证低温补偿能够满足补偿温度范围Tmin-T_=-80C的需要，而高温部分在这种情况下，必须保证低温补偿能够满足补偿温度范围Tmax-Tcimin=YOC的需要，相较于电路设计仅考虑覆盖中心温度Ttl的偏移在25到30°C的情况的要求，就五次幂函数而言，在范围低温部分极大值与高温部分极大值的差值可能增大一倍以上，这意味着就整个曲线来说，补偿曲线的高温部分与低温部分曲线的不对称性加强了。这对于线性拟合的方式实现的补偿曲线来说，这使得所述电路必须对不对称性的补偿进行考虑。现有的设计中多采用三阶结构进行补偿，因为采用更高阶的补偿会使得电路的规模进一步增大，并引入更多的噪声。
【发明内容】
[0007]针对上述现有的η次函数产生电路受噪声限制不利于扩展到更高阶函数来获得更高次精确度以及针对现有的函数产生电路不适合宽中心温度偏移的情况，本发明的目的是提供一种用于晶振温度补偿的模拟高阶幂函数发生电路。它是一种适于集成、低噪声、面向宽中心温度偏移范围的高次幂函数产生电路，非常适于对高精度要求的晶体振荡器进行温度补偿。
[0008]为了达到上述发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现:
一种用于晶振温度补偿的模拟高阶幂函数发生电路，其结构特点是，它包括依次连接的温度传感器、幂函数电流产生电路、跨阻放大器与电压加法器。温度传感器通过将外部温度转换成对应的线性的电压函数送入幂函数电流产生电路的输入端,幂函数电流产生电路将信息转换为对应的高阶函数曲线并通过跨阻放大器转换为电压，再通过电压加法器与一阶函数、零阶校准函数相加成所需电压。所述幂函数电流产生电路包括i+j个带有射极负反馈的双极型类限幅差分对，其中i是大于等于4的整数，j为大于等于I的整数。
[0009]所述j个差分对作为针对宽中心温度偏移范围时的额外的补偿电路用于对低温范围进行更精确的补偿，j个差分对中的输入差分对管与尾电流源均由双极型晶体管构成。
[0010]所述i个差分对的一个输入端共同地与温度传感器的输出端相连,另一个输入端依次与逐渐增加的恒定参考电压源相连，通过差分对电路中的类限幅差分放大器将电压转换为电流。其中，第一和第二差分放大器被设置为输入相同的信号且输出相反的极性，其余(1-2)个差分电路输出具有与第一差分放大器输出相同、与第二差分放大器输出相反的极性，通过运放与电阻构成的负反馈电压电流转换器转换为差分电流，在通过输出结点时，进行相加，得到η阶幂函数电流。
[0011]在上述模拟高阶幂函数发生电路中，所述输入的恒定参考电压小于设定的中心温度对应的温度传感器输出电压的各差分对对应生成高温范围的幂函数。输入的恒定参考电压大于设定的中心温度对应的温度传感器输出电压的各差分对对应生成低温范围的幂函数，输入的恒定参考电压等于或接近于设定的中心温度对应的温度传感器输出电压的差分对对应抵销一次项，生成平坦的中温度范围部分。
[0012]在上述模拟高阶幂函数发生电路中，所述生成高温幂函数的差分放大器与生成低温部分幂函数的差分放大器的输出具有相反的极性，并取消了生成中温部分幂函数的差分放大器。
[0013]在上述模拟高阶幂函数发生电路中，所述j个差分对作为扩展低温范围差分对，用于拟合低温范围的边缘结果。j个差分对具有与i个差分对中生成低温范围的差分对的输出具有相同的极性。j个差分对一端与温度传感器输出相连接，另一端与恒定参考电压相连接，且该恒定参考电压就大于等于前述i个差分对中恒定参考电平的值。
[0014]在上述模拟高阶幂函数发生电路中，所述电路中还包括复制补偿电流源用以消除i+j个差分对中引入的零阶偏移。
[0015]在上述模拟高阶幂函数发生电路中，所述高阶幂函数发生电路分为奇数阶幂函数发生电路和偶数阶幂函数发生电路。奇数阶幂函数发生电路中复制补偿电流源的电流幅值等于j个扩展低温范围差分对尾电流的和，偶数阶幂函数发生电路中复制补偿电流源的电流幅值等于i+j个差分对尾电流的和。
[0016]在上述模拟高阶幂函数发生电路中，所述高阶幂函数发生电路中的五阶幂函数发生电路，被设置为i=6且j=l。其中第一与第二双极型差分对输入的恒定电平参考电压相同，第三至第七双极型差分对输入的恒定电平参考电压顺序增加，第四差分对输入的恒定电平参考电压小于第一、第二双极型差分对输入的恒定电平的参考电压，第五差分对输入的恒定电平参考电压小于第一、第二双极型差分对输入的恒定电平的参考电压，第七双极型差分对具有最大的恒定电平参考电压。所述高阶幂函数发生电路中的四阶幂函数发生电路，被设置为i=6且j=l。其中第一到第七输入的恒定参考电平顺序增加。所述高阶幂函数发生电路中的三阶幂函数发生电路，被设置为i=4且j=l。其中第一与第二双极型差分对输入的恒定电平参考电压相同，第三至第五双极型差分对输入的恒定电平参考电压顺序增力口，第三差分对输入的恒定电平参考电压小于第一、第二双极型差分对输入的恒定电平的参考电压，第四差分对输入的恒定电平参考电压小于第一、第二双极型差分对输入的恒定电平的参考电压，第五双极型差分对具有最大的恒定电平参考电压。
[0017]在上述模拟高阶幂函数发生电路中，所述五阶幂函数发生电路中复制补偿电流源的电流幅值等于第七双极型差分对尾电流源的电流幅值。所述三阶幂函数发生电路中复制补偿电流源的电流幅值等于第五双极型差分对尾电流源的电流幅值。所述四阶幂函数发生电路中复制补偿电流源中的电流幅值等于第一至第七个差分对尾电流的和。
[0018]本发明由于采用了上述结构，可以得到单一 η阶幂函数电流。通过使用简单的比例放大电路构成的跨阻放大器，即可很容易地将幂函数电流产生装置产生的幂函数电流转换成所需的幂函数电压，用于对晶体进行温度补偿，适用于更宽的中心温度点Ttl的温度偏移范围的三次以上高次函数的电路。采用本发明，可以有效的减小电路的噪声，并获得更高的校准精度。
[0019]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中幂函数电流产生电路的作用原理图；
图3为本发明实施例中五次幕函数发生电路的结构不意图；
图4为本发明实施例中五次幂函数发生电路的一个差分对电路原理图；
图5为图4中加入射极反馈电阻的原理图；
图6为图5中加入电压-电流转换电路的原理图；
图7为本发明实施例中针对五次幂函数发生电路的电压输出特性图；
图8为本发明实施例中针对五次幂函数发生电路的电流输出特性图；
图9至图14为本发明实施例中针对五次幂函数发生电路的各情况下电流的输出波形图； 图15为本发明实施例中四次幂函数发生电路的结构示意图；
图16至图21为本发明实施例中针对四次幂函数发生电路的各情况下电流的输出波形图；
图22为本发明实施例中三次幂函数发生电路的结构示意图；
图23至图28为本发明实施例中针对三次幂函数发生电路的各情况下电流的输出波形图。
【具体实施方式】
[0021]参看图1和图2，本发明包括依次连接的温度传感器、幂函数电流产生电路、跨阻放大器与电压加法器。温度传感器通过将外部温度转换成对应的线性的电压函数送入幂函数电流产生电路的输入端。幂函数电流产生电路将信息转换为对应的高阶函数曲线并通过跨阻放大器转换为电压，再通过电压加法器与一阶函数、零阶校准函数相加成所需电压。幂函数电流产生电路包括i+j个带有射极负反馈的双极型类限幅差分对，其中i是大于等于4的整数，j为大于等于I的整数。j个差分对作为针对宽中心温度偏移范围时的额外的补偿电路用于对低温范围进行更精确的补偿，j个差分对中的输入差分对管与尾电流源均由双极型晶体管构成。i个差分对的一个输入端共同地与温度传感器的输出端相连，另一个输入端依次与逐渐增加的恒定参考电压源相连，通过差分对电路中的类限幅差分放大器将电压转换为电流。其中，第一和第二差分放大器被设置为输入相同的信号且输出相反的极性，其余(1-2)个差分电路输出具有与第一差分放大器输出相同、与第二差分放大器输出相反的极性，通过运放与电阻构成的负反馈电压电流转换器转换为电流，在通过输出结点时，进行相加，得到η阶幂函数电流。
[0022]参看图3，以五次幂函数发生电路为奇数阶幂函数发生器的实施例加以阐述。五次函数发生电路由从QA-Qe的七个类限幅共射射极负反馈差分对与Qct构成的补偿电流源组成，其中电流镜电路I构成了差分对的尾电流源。电流镜中电路2包括双极型晶体管Qtl，其集电极连接在双极型晶体管Qh的基极，并通过恒定电流源连接到电源正极Vdd ;其基极与双极型晶体管Qh的发射极相连，其发射极通过反馈电阻Rtl连接到地Vss ;双极型晶体管Qh的集电极与Vdd相连，用于对双极型晶体管参数β随工艺与温度变化的影响做出抑制。该电流镜中电路2还包括各自基极与双极型晶体管Qtl的基极相连的八个双极型晶体管Q1到Q8,它们的发射极也通过对应的反馈电阻连接到地Vss ;电流镜电路I为类限幅共射射极反馈差分对4A-4G提供尾电流源；类限幅差分对负端输出电压连接到运放OP1的正输入端，其中，运放OP1与PMOS管MP1以及电阻R9b构成电压-电流转换电路3。在电压-电流转换电路3中，运放OP1的负端与PMOS管MP1的源端相连，并通过电阻R9b连接到电源VDD上；运放OPi的输出连接到PMOS管MP1的栅极，PMOS管MP1的漏极为输出端，并与差分对的正输出端相连。
[0023]类限幅差分放大电路4Α为典型的具有射极负反馈的共射差分对结构。差分放大电路4Α的差分对由双极型晶体管Qai和Qa2构成，分别经由串联反馈电阻Rai和Ra2联接到电流镜中电路2的双极型晶体管Q5的集电极。输入信号Vin被加到晶体管Qai的基极上，恒定电平参考电压Vkefm被加到晶体管Qa2的基极上。双极型晶体管Qa2的集电极通过采样电阻R9a连接到电源正极端VDD，同时，Qai的集电极作为差分对的正电压输出端连接到电压-电流转换3的输入端。
[0024]类似地，类限幅差分放大电路4C、4D、4E、4F、4G也具有相同的结构，其正输入端Qci>Qdi>Qei>Qfi>Qd的基极均与Qai的基极相连作为整个电路的输入端，与温度传感器的输出相连；Qa、Qm> Qei> Qp1 > Qgi的集电极相连，并连接至电压-电流转换3的输入端。类限幅差分放大电路4C、4D、4E、4F、4G的负输入端晶体管Qc2、Qd2、Qe2、Qf2、Qe2的基极分别地输入恒定参考电压 Vrefl1、Vrefl2、Vrefh1、Vrefh2、Vrefh3。Qc2、Qd2、Qe2、Qf2、Qg2 的集电极相连，并通过电阻R9a与电源Vdd相连接。其中，考虑到当拐点温度Ttl偏移较大时，拐点两侧曲线的不对称情况加大，增加了针对边缘情况进行补偿的差分对4G，并由Qct支路提供了一支补偿电流以消除零次分量偏差。
[0025]类限幅差分放大电路4B的结构相对比较特殊，它的输入与类限幅差分放大电路4A相比有着反相的特征。输入信号Vin被加到晶体管Qb2的基极上，恒定电平参考电压Vkefm被加到晶体管Qbi的基极上。双极型晶体管Qb2的集电极通过采样电阻R9a连接到电源正极端VDD，同时，Qbi的集电极作为差分对的正电压输出端连接到电压-电流转换电路3的输入端。当然，Qbi和Qb2分别经由串联反馈电阻Rbi和Rb2联接到电流镜中电路2的双极型晶体管Q4的集电极。由于类限幅差分放大电路4B的输入与类限幅差分放大电路4A的相反，所以它们的输出也具有反相的特征。
[0026]注意到，输入至类限幅差分放大电路4A至4G的参考电压Vkefh3到Vkefu的大小具有一定特征。鉴于输入信号VIN是随温度单调递减的类一次函数，参考电压Vkefh3到Vkefu的大小被设定为，VKEFH3>V
refh2〉Vrefhi〉Vrefm> Vrefli
>VEEFL20其中Vkefh针对低温部分进行拟合，VKE%
针对高温部分进行拟合。
[0027]现具体阐述上述电路的工作原理。
[0028]先单独考虑一个差分对电路的情况，如图4所示。在输入回路，由基尔霍夫定理可以得到，
由埃伯斯-莫尔模型，
【权利要求】
1.一种用于晶振温度补偿的模拟高阶幂函数发生电路，其特征在于，它包括依次连接的温度传感器、幂函数电流产生电路、跨阻放大器与电压加法器；温度传感器通过将外部温度转换成对应的线性的电压函数送入幂函数电流产生电路的输入端，幂函数电流产生电路将信息转换为对应的高阶函数曲线并通过跨阻放大器转换为电压，再通过电压加法器与一阶函数、零阶校准函数相加成所需电压；所述幂函数电流产生电路包括i+j个带有射极负反馈的双极型类限幅差分对，其中i是大于等于4的整数，j为大于等于I的整数； 所述j个差分对作为针对宽中心温度偏移范围时的额外的补偿电路用于对低温范围进行更精确的补偿，j个差分对中的输入差分对管与尾电流源均由双极型晶体管构成； 所述i个差分对的一个输入端共同地与温度传感器的输出端相连，另一个输入端依次与逐渐增加的恒定参考电压源相连，通过差分对电路中的类限幅差分放大器将电压转换为电流；其中，奇数阶情况下，第一和第二差分放大器被设置为输入相同的信号且输出相反的极性，其余(1-2)个差分电路输出具有与第一差分放大器输出相同、与第二差分放大器输出相反的极性，偶数阶情况下，第一、第二差分放大器被设置为相同的极性，输入参考电压低于第一差分放大器的被设置为与第一差分放大器相同，输入参考电压高于第一差分放大器的被设置为与第一差分放大器相反的极性；通过运放与电阻构成的负反馈电压电流转换器转换为差分电流，在通过输出结点时，进行相加，得到η阶幂函数电流。
2.根据权利要求1所述的模拟高阶幂函数发生电路，其特征在于，所述输入的恒定参考电压小于设定的中心温度对应的温度传感器输出电压的各差分对对应生成高温范围的幂函数，输入的恒定参考电压大于设定的中心温度对应的温度传感器输出电压的各差分对对应生成低温范围的幂函数，输入的恒定参考电压等于或接近于设定的中心温度对应的温度传感器输出电压的差分对对应抵销一次项，生成平坦的中温度范围部分。
3.根据权利要求2所述的模拟高阶幂函数发生电路，其特征在于，所述偶数阶情况下，生成高温幂函数的差分放大器与生成低温部分幂函数的差分放大器的输出具有相反的极性，并取消了生成中温部分幂函数的差分放大器。
4.根据权利要求1所述的模拟高阶幂函数发生电路，其特征在于，所述j个差分对作为扩展低温范围差分对，用于拟合低温范围的边缘结果；j个差分对具有与i个差分对中生成低温范围的差分对的输出具有相同的极性；j个差分对一端与温度传感器输出相连接，另一端与恒定参考电压相连接，且该恒定参考电压就大于等于前述i个差分对中恒定参考电平的值。
5.根据权利要求1所述的模拟高阶幂函数发生电路，其特征在于，所述电路中还包括复制补偿电流源用以消除i+j个差分对中引入的零阶偏移。
6.根据权利要求5所述的模拟高阶幂函数发生电路，其特征在于，所述高阶幂函数发生电路分为奇数阶幂函数发生电路和偶数阶幂函数发生电路，奇数阶幂函数发生电路中复制补偿电流源的电流幅值等于j个扩展低温范围差分对尾电流的和，偶数阶幂函数发生电路中复制补偿电流源的电流幅值等于i+j个差分对尾电流的和。
7.根据权利要求1所述的模拟高阶幂函数发生电路，其特征在于，所述高阶幂函数发生电路中的五阶幂函数发生电路，被设置为i=6且j=l，其中第一与第二双极型差分对输入的恒定电平参考电压相同，第三至第七双极型差分对输入的恒定电平参考电压顺序增加，第四差分对输入的恒定电平参考电压小于第一、第二双极型差分对输入的恒定电平的参考电压，第五差分对输入的恒定电平参考电压小于第一、第二双极型差分对输入的恒定电平的参考电压，第七双极型差分对具有最大的恒定电平参考电压；所述高阶幂函数发生电路中的四阶幂函数发生电路，被设置为i=6且j=l，其中第一到第七输入的恒定参考电平顺序增加；所述高阶幂函数发生电路中的三阶幂函数发生电路，被设置为i=4且j=l，其中第一与第二双极型差分对输入的恒定电平参考电压相同，第三至第五双极型差分对输入的恒定电平参考电压顺序增加，第三差分对输入的恒定电平参考电压小于第一、第二双极型差分对输入的恒定电平的参考电压，第四差分对输入的恒定电平参考电压小于第一、第二双极型差分对输入的恒定电平的参考电压，第五双极型差分对具有最大的恒定电平参考电压。
8.根据权利要求7所述的模拟高阶幂函数发生电路，其特征在于，所述五阶幂函数发生电路中复制补偿电流源的电流幅值等于第七双极型差分对尾电流源的电流幅值；所述三阶幂函数发生电路中复制补偿电流源的电流幅值等于第五双极型差分对尾电流源的电流幅值；所述四 阶幂函数发生电路中复制补偿电流源中的电流幅值等于第一至第七个差分对尾电流的和。
【文档编号】H03K3/02GK104079266SQ201310097650
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2013年3月26日 优先权日:2013年3月26日
【发明者】吕航, 王斌, 田冀楠, 李妥, 盛敬刚 申请人:北京同方微电子有限公司