一种温度自适应FBAR振荡电路的制作方法

本发明涉及集成电路的技术领域，更具体地说，它涉及一种温度自适应fbar振荡电路。

背景技术：

低功耗和低噪声的射频基准频率在高性能的adc、高速数据连接和通信系统中是必不可少的，在电子行业中占据着数十亿的市场。而一些无线模块的射频标准(如wifi，gps，蓝牙和wlan)的基准频率需要在一定的温度范围内使用(对于工业应用为-40-110℃，对于商业应用为-10-70℃)。为了解决这一问题，目前采用的手段包括：增加温度补偿振荡器(tcxo)，通过其检测环境温度改变电压控制负载电路上的电容来改变频率，从而实现补偿频率的温度漂移。但现有晶振的稳定性还是无法满足如gps等一些要求苛刻的应用(＜2ppm)。另外还有恒温振荡器，通过实时检测环境温度并加热振荡器，使得振荡器保持恒温，以此克服温度漂移。此类振荡器的频率虽然比较稳定，但是体积较大，成本较高。

因此，高度微型化的mems和基于fbar的振荡器被大量研究。由于现有的fbar压电材料其内部原子间的相互作用力一般都表现出负温度特性，即随温度升高，原子间的相互作用力减弱。这会导致压电材料的弹性系数与温度成反比，随着温度的升高，fbar的谐振频率减小。所以它们都具有较差的频率温度稳定性。所以必须要对fbar的温度频率特性进行改善。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种温度自适应fbar振荡电路，可对fbar振荡器的温度频率特性进行补偿。

本发明的技术方案是在于：一种温度自适应fbar振荡电路，包括fbar振荡器，还包括控制模块、调谐模块和驱动模块，所述控制模块通过调谐模块与驱动模块电路连接，所述fbar振荡器与驱动模块电路连接。

作进一步的改进，所述控制模块包括ptat电流源单元，所述ptat电流源单元通过第一电阻接地，且所述ptat电流源单元与第一电阻的连接端与调谐模块电路连接。

进一步的，所述ptat电流源单元包括电源端、第一p型场效应管、第二p型场效应管、第三p型场效应管、第一n型场效应管、第二n型场效应管、第一三级管、第二三级管和第十一电阻，所述第一p型场效应管的源极、第二p型场效应管的源极和第三p型场效应管的源极均与电源端连接，所述第一p型场效应管的栅极、第二p型场效应管的栅极和第三p型场效应管的栅极与第二n型场效应管的漏极连接，且所述第二n型场效应管的漏极还与第二p型场效应管的漏极连接，所述第二n型场效应管的栅极与第一n型场效应管的栅极及其漏极连接，所述第一n型场效应管的漏极还与第一p型场效应管的漏极连接，所述第一n型场效应管的源极与第一三级管的发射极连接，所述第一三级管的基极及其集电极均接地，所述第二n型场效应管的源极通过第十一电阻与第二三极管的发射极连接，所述第二三极管的基极及其集电极均接地，所述第三p型场效应管的漏极通过第一电阻接地，且所述第三p型场效应管的漏极与第一电阻连接的一端为第一输出端。

更进一步的，所述控制模块还包括电流镜单元和电压乘法单元，所述电流镜单元包括第四p型场效应管、第三n型场效应管和第四n型场效应管，所述第四p型场效应管的源极与电源端和第二电阻的一端连接，所述第四p型场效应管的栅极与第一p型场效应管的栅极和第二p型场效应管的栅极连接，所述第四p型场效应管的漏极均与第三n型场效应管的漏极及其栅极和第四n型场效应管的栅极连接，所述第四n型场效应管的漏极与第二电阻的另一端连接，所述第三n型场效应管的源极和第四n型场效应管的源极均接地，所述电源端与第二电阻的连接端为第二输出端；所述电压乘法单元为电压乘法器，所述第一输出端和第二输出端分别与电压乘法器的第一输入端及第二输入端连接，所述电压乘法器的输出端与调谐模块连接。

更进一步的，所述驱动模块采用c类推挽拓扑结构的交叉耦合放大电路。

更进一步的，所述驱动模块包括pmos耦合对和nmos耦合对，所述pmos耦合对的漏极与nmos耦合对的漏极电路连接，且所述fbar振荡器和调谐模块均并联在pmos耦合对的漏极和nmos耦合对的漏极之间。

更进一步的，所述调谐模块包括第四可调电容和第五可调电容，所述第四可调电容的一端与第五可调电容的一端连接，且所述电压乘法单元的输出端与第四可调电容和第五可调电容的连接端连接，所述第四可调电容的另一端与pmos耦合对的漏极和nmos耦合对的漏极的连接端的一端电路连接，所述第五可调电容另一端与pmos耦合对的漏极和nmos耦合对的漏极的连接端的另一端电路连接。

更进一步的，所述驱动模块还包括尾电流源单元，所述nmos耦合对通过尾电流源单元接地，且所述尾电流源单元还与电压乘法单元的输出端电路连接。

更进一步的，所述驱动模块还设有与尾电流源单元并联的第八电容。

有益效果

本发明的优点在于：通过控制模块产生与温度相关的补偿信号，利用该补偿信号控制驱动模块的调谐模块，使驱动模块产生随补偿信号变化的振荡频率。fbar谐振器在该驱动电路的作用下产生振荡，从而输出一频率，而该频率则经过了补偿，该补偿抵消了温度带来的频率漂移。从而实现了对fbar振荡器的温度频率特性进行补偿，有效的减小其频率随温度的漂移，使补偿后的fbar振荡器的频率更稳定。

附图说明

图1为本发明的fbar振荡器的第一种阻抗模型的结构示意图；

图2为本发明的fbar振荡器的第一种阻抗模型的谐振频率与温度的关系曲线图；

图3为本发明的fbar振荡器的第二种阻抗模型的结构示意图；

图4为本发明的fbar振荡器的第二种阻抗模型的谐振频率与温度的关系曲线图；

图5为本发明的结构示意图；

图6为本发明的第一种控制模块电路图；

图7为本发明的第二中控制模块电路图；

图8为本发明的接合第一种阻抗模型和第一种控制模块的fbar振荡电路的振荡频率与温度的关系曲线图；

图9为本发明的接合第二种阻抗模型和第二种控制模块的fbar振荡电路的振荡频率与温度的关系曲线图；

图10为本发明的驱动模块和调谐模块的电路图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制，任何人在本发明权利要求范围所做的有限次的修改，仍在本发明的权利要求范围内。

本发明的一种温度自适应fbar振荡电路，包括fbar振荡器u1。

薄膜体声波谐振器(filmbulkacousticresonator，fbar)结构中通常包含用于产生激发电场的电极和用于进行电声-声电能量转换的压电薄膜、以及为确保结构的机械稳定性所采用的支撑层等。fbar振荡器u1的性能参数如谐振频率、耦合系数和品质因数等不仅取决于压电薄膜本身的特性，也和所采用的电极材料和支撑层材料以及器件结构密切相关。要获得具有一定设计指标的fbar器件，需要精确的理论模型指导设计过程。

通过对构成fbar振荡器u1的各种介质材料中体声波产生和传播的机理的关系，可以解得各种材料阻抗方程。

对于非压电材料：

对于压电材料：

将f和v分别类比为电学中的电压和电流分量，其中，阻抗

z1：阻抗z2：k＝ω/sqrt(c/ρ)；ω是相位；c是弹性系数；ρ是密度；d为厚度；h为转化比；i为电流。

本发明fbar振荡器u1的第一种实施例结构如图1所示。fbar振荡器u1的结构包括依次层叠在衬底上的下电极、压电薄膜和上电极。其中，上下电极采用金属钼(mo)，压电薄膜采用压电材料氮化铝(aln)，即mo-aln-mo结构。mo电极层和aln压电薄膜层的弹性系数(c)与温度(t)的关系为：

mo：c-4e-08t³+1e-04t²-0.1149t+333.03(gpa)

aln：c33-0.03*t+405(gpa)。

其中，gpa为压强单位。

优选的，电极层为厚度是100nm的金属mo。

优选的，压电薄膜层为厚度是2000nm的压电材料a1n。

参阅图2，可知该fbar振荡器u1的谐振频率与温度变化近似线性变化，且成反比。在-45℃-80℃之间，其最大频率漂移为10mhz。

由于mo-a1n-mo结构的fbar振荡器u1的内部原子间的相互作用力一般都表现出负温度特性，即随温度升高，原子间的相互作用力减弱，这会导致压电材料的弹性系数与温度成反比，随着温度的升高，fbar振荡器u1的谐振频率减小。所以需要使用弹性系数与温度成正比的材料对fbar振荡器的谐振频率进行补偿。

本发明fbar振荡器u1的第二种实施例结构如图3所示。在第一种实施例的mo-a1n-mo结构fbar振荡器u1的电极层与压电薄膜层之间添加一补偿层。优选的，补偿层为sio2层。即本实施例中的fbar振荡器u1的结构为mo-sio2-a1n-mo。sio2补偿层的弹性模量(c)与温度(t)的关系为：

sio2：c＝0.3t+70(gpa)。

优选的，sio2补偿层的厚度为30nm。

参阅图4，可知添加补偿层后的fbar振荡器u1的谐振频率与温度变化近似为二次函数，且在-45℃-80℃之间，其最大频率漂移为1.23mhz，从而减少了频率随温度的漂移，提高了谐振频率的稳定性。

参阅图5，该fbar振动电路还包括控制模块、调谐模块和驱动模块。控制模块通过调谐模块与驱动模块电路连接，fbar振荡器u1与驱动模块电路连接。控制模块产生与温度相关的补偿信号对调谐模块进行调节，从而对驱动模块的振荡回路的谐振频率进行调整，从而实现对fbar振荡器u1的温度频率特性进行补偿。

本发明控制模块的第一种实施例如图6所示。控制模块包括ptat(ptat:proportionaltoabsolutetemperature)电流源单元。ptat电流源单元通过第一电阻r1接地。通过将ptat电流源单元输出的ptat电流加在第一电阻r1上，使ptat电流转化为电压，而该电压与温度成正比。ptat电流源单元与第一电阻r1的连接端与调谐模块电路连接，即ptat电流源单元的输出端与调谐模块电路连接，将与温度成正比的电压信号输送至调谐模块，调节调谐模块。

其中，ptat电流源单元包括电源端vdd、第一p型场效应管mp1、第二p型场效应管mp2、第三p型场效应管mp3、第一n型场效应管mn1、第二n型场效应管mn2、第一三级管q1、第二三级管q2和第十一电阻r11。第一p型场效应管mp1的源极、第二p型场效应管mp2的源极和第三p型场效应管mp3的源极均与电源端vdd连接，第一p型场效应管mp1的栅极、第二p型场效应管mp2的栅极和第三p型场效应管mp3的栅极与第二n型场效应管mn2的漏极连接，且第二n型场效应管mn2的漏极还与第二p型场效应管mp2的漏极连接，第二n型场效应管mn2的栅极与第一n型场效应管mn1的栅极及其漏极连接，第一n型场效应管mn1的漏极还与第一p型场效应管mp1的漏极连接。本实施例中，第一p型场效应管mp1和第二p型场效应管mp2为相同的p型场效应管，第一n型场效应管mn1和第二n型场效应管mn2为相同的n型场效应管。第一n型场效应管mn1的源极与第一三级管q1的发射极连接，第一三级管q1的基极及其集电极均接地，第二n型场效应管mn2的源极通过第十一电阻r11与第二三极管q2的发射极连接，第二三极管q2的基极及其集电极均接地。

具体的，第一三极管q1和第二三级管q2均为pnp三极管。而由第一三极管q1和第二三极管q2构成的双极晶体管电路产生的偏置电流与绝对温度成正比，即随着温度的升高，其偏置电流也增大。而偏置电流为：i＝kt。其中，k为温度系数，t为温度。

第三p型场效应管mp3的漏极通过第一电阻r1接地，且第三p型场效应管mp3的漏极与第一电阻r1连接的一端为第一输出端v1。通过将偏置电流加在第一电阻r1上，使第一输出端v1输出一与温度成正比的电压：v1＝kt*r1。将该电压加载在调谐模块，控制调谐模块的输出，进而调节驱动模块的谐振频率。

本发明控制模块的第二种实施例如图7所示。控制模块包括ptat电流源单元、电流镜单元和电压乘法单元，电流镜单元与ptat电流源单元电路连接，且ptat电流源单元的输出端和电流镜单元的输出端同时与电压乘法单元电路连接，电压乘法单元与调谐模块电路连接。通过电流镜单元复制出pata电流源单元的偏置电流，使电流镜单元可输出一与温度成反比的电压。通过电压乘法单元对ptat电流源单元的输出电压和电流镜单元的输出电压作乘法运算，得到一与温度成二次函数的控制电压，将该控制电压加载在调谐模块上，控制调谐模块的输出，进而调节驱动模块的谐振频率。

具体的，控制模块的第二种实施例中的ptat电流源单元与控制模块的第一中实施例中的ptat电流源单元一致。而控制模块的第二种实施例中的ptat电流源单元与第一电阻r1的连接端与电压乘法单元的第一输入端电路连接，将第一输出端v1的电压加载到电压乘法单元的第一输入端。电流镜单元通过第二电阻r2与电源端vdd连接，第二电阻r2与电源端vdd连接的一端还与电压乘法单元的第二输入端电路连接。第二电阻r2与电源端vdd连接的一端为第二输出端v2。通过第二电阻r2的作用，使第二输出端v2的输出与温度成反比的电压，即v2＝vdd-kt*r2。第一输出端v1的电压和第二输出端v2的电压经过电压乘法单元的作用，最终输出一与温度成二次函数关系的电压：vt＝v1*v2。

其中，电流镜单元包括第四p型场效应管mp4、第三n型场效应管mn3、第四n型场效应管mn4。第四p型场效应管mp4的源极与电源端vdd和第二电阻r2的一端连接，第四p型场效应管mp4的栅极与第一p型场效应管mp1的栅极和第二p型场效应管mp2的栅极连接，第四p型场效应管mp4的漏极均与第三n型场效应管mn3的漏极极栅极和第四n型场效应管mn4的栅极连接，第四n型场效应管mn4的漏极与第二电阻r2的另一端连接，第三n型场效应管mn3的源极和第四n型场效应管mn4的源极均接地，电源端vdd与第二电阻r2的连接端为第二输出端v2。电压乘法单元为电压乘法器u2，第一输出端v1和第二输出端v2分别与电压乘法器u2的第一输入端及第二输入端连接，电压乘法器u2的输出端vt与调谐模块连接。

本发明的fbar振荡器u1的第一种实施例通过与控制模块的第一种实施例结合实施，得出如图8所示的关系曲线。通过图8的关系曲线可知fbar振荡器u1在2g附近的振荡频率，其频率漂移从fbar振荡器固有的10mhz下降到了115khz，得到了大大的改善。

本发明的fbar振荡器u1的第二种实施例通过与控制模块的第二种实施例结合实施，得出如图9所示的关系曲线。通过图9的关系曲线可知fbar振荡器u1在2g附近的振荡频率，其频率漂移从fbar振荡器固有的1.23mhz下降到了105khz,且其频率与温度成二次函数的关系，进一步改善了其频率漂移的特性。

参阅图10，该fbar振荡电路的驱动模块采用c类推挽拓扑结构的交叉耦合放大电路，其效率优越，损耗小。具体的，驱动模块包括pmos耦合对和nmos耦合对，pmos耦合对的漏极与nmos耦合对的漏极电路连接。采用pmos耦合对和nmos耦合对可减小对放大电路增益的要求，且自适应偏置电流确保pmos耦合对和nmos耦合对处于最佳的工作电压以达到最佳的相噪性能。

驱动模块还包括第一电容c1、第二电容c2、第六电容c6和第七电容c7。第一电容c1和第二电容c2分别连接在pmos耦合对的栅极及漏极之间，第六电容c6和第七电容c7分别连接在nmos耦合对的栅极及漏极之间。在pmos耦合对和nmos耦合对的栅漏极间增加电容，为耦合对的栅极之间直流供电，使耦合对在直流状态时更容易控制。fbar振荡器u1和调谐模块均并联在pmos耦合对的漏极和nmos耦合对的漏极之间。通过控制模块随温度变化的输出电压调节驱动模块的谐振范围，从而实现对fbar振荡器u1温度频率漂移进行补偿。

其中，pmos耦合对包括第五p型场效应管mp5和第六p型场效应管mp6，第五p型场效应管mp5的源极和第六p型场效应管mp6的源极均与电源端vdd连接，第五p型场效应管mp5的栅极通过第四电阻r4和第五电阻r5与第六p型场效应管mp6的栅极连接。第五p型场效应管mp5的栅极通过第一电容c1与第六p型场效应管mp6的漏极连接，第六p型场效应管mp6的栅极通过第二电容c2与第五p型场效应管mp5的漏极连接。

nmos耦合对包括第五n型场效应管mn5和第六n型场效应管mn6，第五n型场效应管mn5的源极和第六n型场效应管mn6的源极均接地，第五n型场效应管mn5的栅极通过第六电阻r6和第七电阻r7与第六n型场效应管mn6的栅极连接。第五n型场效应管mn5的栅极通过第七电容c7与第六n型场效应管mn6的漏极连接，第六n型场效应管mn6的栅极通过第六电容c6与第五n型场效应管mn5的漏极连接。第五p型场效应管mp5的漏极与第五n型场效应管mn5的漏极连接，为第一频率输出端out1；第六p型场效应管mp6的漏极与第六n型场效应管mn6的漏极连接，为第二频率输出端out2。fbar振荡器u1的两端和调谐模块的两端分别连接在第一频率输出端out1和第二频率输出端out2上，且第一频率输出端out1和第二频率输出端out2之间还连接有第三电容c3。

优选的，驱动模块还包括尾电流源单元，nmos耦合对通过尾电流源单元接地，即第五n型场效应管mn5的源极和第六n型场效应管mn6的源极通过尾电流源单元接地。尾电流源单元还与电压乘法单元的输出端电路连接。尾电流源单元可减小驱动模块的相位噪声和能耗，且还能降低电源电压的敏感度，大大的提高了驱动模块的稳定性。优选的，驱动模块还设有与尾电流源单元并联的第八电容c8。通过在尾电流源单元上并联一第八电容c8，以增加驱动模块的振荡回来的稳定性，减小噪声。

具体的，尾电流源单元包括第七n型场效应管mn7，第七n型场效应管mn7的漏极、第八电容c8的一端与第五n型场效应管mn5的源极、第六n型场效应管mn6的源极连接，第七n型场效应管mn7的源极和第八电容c8的另一端接地，第七n型场效应管mn7的栅极与电压乘法器u2的输出端vt连接。fbar振荡电路还包括偏值单元，第七n型场效应管mn7的栅极和偏值单元的输出端连接。

调谐模块包括第四可调电容c4和第五可调电容c5，第四可调电容c4的一端与第五可调电容c5的一端连接，且电压乘法单元的输出端与第四可调电容c4和第五可调电容c5的连接端连接。即电压乘法器u2的输出端vt连接在第四可调电容c4和第五可调电容c5的连接端。第四可调电容c4的另一端与pmos耦合对的漏极和nmos耦合对的漏极的连接端的一端电路连接，第五可调电容c5另一端与pmos耦合对的漏极和nmos耦合对的漏极的连接端的另一端电路连接。具体的，第四可调电容c4的另一端与第一频率输出端out1连接，第五可调电容c5的另一端与第二频率输出端out2连接。

本发明的工作原理是：fbar振荡器u1连接在pmos耦合对的漏极和nmos耦合对的漏极之间，且使用第四可变电容c4和第五可变电容c5与fbar振荡器u1并联。通过控制模块输出的控制电压，即第一输出端v1的电压或电压乘法器u2的输出端vt的电压，对第四可变电容c4和第五可变电容c5的容量进行调节，从而对驱动模块的振荡回路的谐振频率进行调节。最终实现对fbar振荡器u1的温度频率漂移进行补偿。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。