一种用于晶体振荡器的温度补偿电路的制作方法

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一种用于晶体振荡器的温度补偿电路的制作方法
【专利摘要】本发明属于集成电路领域,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。
【专利说明】
一种用于晶体振荡器的温度补偿电路
技术领域
[0001] 本发明属于集成电路领域,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。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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:
[0004] f(T)=f〇+A · (T-T〇)+B · (T-T〇)2+C · (T-T〇)3 (1)
[0005] 其中,Τ是绝对温度,f是温度Τ下的谐振频率,fQ是温度为Το时的标称频率,Το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。
[0006] 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。
[0007] 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:
[0008] f(V)=f〇-G(V-V〇) (2)
[0009] 其中,G是增益,Vo是参考电压。
[0010] 为了补偿谐振器谐振频率的偏移量,必须有:
[0011] Af(T)=-Af(V) (3)
[0012] 则变容二极管的控制电压和温度的关系表示为:
[0013] v(T)=V0+a · (T_T〇)+b · (T_T〇)2+c · (T-T〇)3 (4)
[0014] 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) =f〇。
[0015] 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。
[0016] 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。

【发明内容】

[0017] 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,本发明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。
[0018] 本发明的技术方案如下:
[0019] 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(pr〇p 〇rti〇nal 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。
[0020] 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;
[0021] 可调的PTAT电流源产生大小和一次项系数不同的PTAT电流;
[0022]可调的CTAT电流源产生大小和一次项系数不同的CTAT电流;
[0023]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;
[0024]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;
[0025] 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。
[0026] 在控制信号(:〇11^1、(:〇1^_1^2、(:〇1^_1^ 3和(:〇1^_见作用下,分别调节?了41'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。
[0027] 进一步地,所述启动电路包括P型M0S管MS1、MS2以及电容CUMS1的栅接VA,漏接 MS2的栅,源接电源VCC,MS2的栅接MS 1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。
[0028] 进一步地,所述可调的PTAT电流源包括4个P型M0S管,分别为MP1、MP2、MP3和MP4,4 个N型M0S管,分别为丽1、丽2、丽3和MN4以及mXn个忆阻器组成的忆阻器网络Rml,m>l,n> 1 JP1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Rm的一端相连,漏接MP4的源;MP3和MP4的栅接在一起,漏分别与丽1和 丽2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R ml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;丽2的漏接MP4的漏,源接丽4的漏;丽3和丽4的栅相连,且接MN4的 漏,丽3和MN4的源都接地电位;丽1、丽2、丽3和MN4的衬底都接地电位。
[0029] 进一步地,上述可调的PTAT电流源中,P型M0S管MP1、MP2和忆阻器网络Rml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〇
[0030] 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M0S管并联组成,则其宽长比为:(W/L)mpi:(W/L)mp2=1:N(N彡2)。流过 MP1和MP2的电流相等,且都为PTAT电流。
[0031] 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:
(5)
[0032]
[0033] 其中,IPTAT是PTAT电流,αη是PTAT电流的一次项系数。
[0034] 所述可调的PTAT电流源产生大小和一次项系数不同的PTAT电流通过以下方法实 现:忆阻器网络R ml是由mXn个忆阻器组成,内部带有擦写电路,通过控制信号Cont_Rml的控 制,实现任意阻值,从而调整PTAT电流的斜率a n。
[0035] 考虑MP1和MP2不匹配以及VA和VB不相等导致的非线性特性,PTAT电流表示为:
[0036] ΙρτΑτ=α?2Τ+αι2Τ2 (6)
[0037] 其中,α12是PTAT电流的二次项系数。
[0038] 进一步地,本发明所述可调的CTAT电流源包括P型M0S管MP5和MP6,N型M0S管丽5、 丽6、丽7和MN9,运放0ΡΑ以及m X η个忆阻器组成的忆阻器网络Rm2,m > 1,η > 1。MP5的栅漏以 二极管形式接在一起,且接运放0ΡΑ的同相输入端,源和衬底接电源VCC ;ΜΡ6的栅接运放0ΡΑ 的输出端,源接运放0ΡΑ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;丽5和丽6栅分别接丽2和丽4的栅,丽5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。
[0039] 进一步地,所述可调的CTAT电流源中,MP5、运放0ΡΑ和忆阻器网络Rm2产生CTAT电 流,丽5和丽6组成电流镜镜像PTAT电流给MP5提供直流偏置,丽7和丽9组成电流镜做MP6的 负载,同时输出CTAT电流。
[0040] 进一步地,上述的P型M0S管MP5工作在亚阈区,用于产生CTAT电压。对于工作在亚 阈区的M0S管,当其电流为固定值时,其栅源电压V sg5具有负的温度系数;运放0ΡΑ的嵌位功 能使得其同相输入端和反相输入端的电位相等;由电路的连接关系,忆阻器网络R m2两端的 电压是Vsg5,所以流过Rm2的电流是Vsg5/R m2,由于Vsg5具有负的温度系数,忽略Rm2的温度系数 时,流过忆阻器网络R m2的电流也具有负的温度系数,具体表示为:
(7)
[0041] Λ ''ml
[0042] 其中,Icm是CTAT电流,a21是CTAT电流随温度变化的一次项系数。
[0043] 所述可调的CTAT电流源产生大小和一次项系数不同的CTAT电流通过以下方法实 现:忆阻器网络Rm2是由mXn个忆阻器组成,内部带有擦写电路,通过控制信号Cont_R m2的控 制,实现任意阻值,从而调整CTAT电流的斜率a21。
[0044] 进一步地,考虑Vsg5由于偏置电流的温度特性、运放失调等引起的非线性项,CTAT 电流表示为:
[0045] IcTAT=ci2iT+a22T2 (8)
[0046] 其中,a22是CTAT电流随温度变化的二次项系数。
[0047] 所述可调的非线性电流源由Ml~Mk的k个N型M0S管,SW1~SWk的k个选择开关以及 译码器S组成。Ml~Mk的k个N型M0S管的栅端与各自的源端分别相连,漏端分别与SW1~SWk 的开关的一端相连,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 丽8的漏相连;译码器S的输出信号Cont_l~Cont_k*别控制SW1~SWk的开关,译码器的输 入接控制信号Cont_NL。
[0048] 进一步地,所述Ml~Mk的k个N型M0S管工作在亚阈值区,其电流是非线性电流,具 体表示为:
?9)
[0049]
[0050] 其中,IMk是流过M0S管Mk的电流,μ是载流子迀移率,是栅氧化层单位面积电容, W是沟道宽度,L是沟道长度,II是亚阈倾斜因子,q是电子电量,k是玻尔兹曼常数,T是绝对温 度,Vth是Mk的阈值电压。该电流是温度的非线性函数,将该电流用泰勒级数展开到三阶项, 忽略高阶项,则该非线性电流表示为:
[0051] lMk = a31T+a32T2+a33T3 (10)
[0052] 其中,a31是非线性电流IMk随温度变化的一次项系数,a32是非线性电流I Mk随温度变 化的二次项系数,a33是非线性电流iMk随温度变化的三次项系数。
[0053] 进一步地,Ml~Mk的k个N型M0S管中,Ml由1个单元组成,M2由两个单元并联组成, Mk由k个单元并联组成,它们的宽长比满足:(W/L)mi:(W/L)m2: . . . :(W/L)Mk=l:2: . . . :k。由 于Ml~Mk都是由相同的单元并联组成的,其阈值电压相同,则流过Ml~Mk的电流比满足: Imi:Im2: · · · :lMk=l:2: · · · :k〇
[0054] 进一步地,译码器S的输出信号Cont_l~(:〇的_1^在任意时刻只有一个信号有效,从 而开关SW1~SWk在任意时刻只有一个打开,所以该时刻只有Ml~Mk中的一个M0S管电流可 以输出,即:
[0055] INL = a31T+a32T2+a33T3 (11)
[0056] 所述可调的非线性电流源产生大小、一次项系数和二次项系数不同的非线性电流 通过以下方法实现:改变译码器S的输入信号Cont_NL的控制字,则改变开关的控制信号 Cont_l~Cont_l^^有效性,从而改变非线性电流的大小和温度系数。
[0057] 所述电流求和模块包括N型M0S管MN8、MN10、MN11以及MN12。其中,MN7、MN8、MN9和 丽10组成共源共栅电流镜镜像CTAT电流,MN8的栅接丽7的栅,源接丽10的漏,漏接丽11的 漏;丽10的栅接MN9的栅,源接地电位;同理,MN2、丽4、丽11和MN12组成共源共栅电流镜镜像 PTAT电流,丽11的栅接MN2的栅,源接MN12的漏,丽12的栅接MN4的栅,漏接丽11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Irrf,该电流表示为:
[0058] Iref = Iptat+Ictat+Inl= (an+a2i+a3i)T+(ai2+a22+ci32)T2+a33T3 (12)
[0059] 所述可调的电流-电压转换器包括mXn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,则基准电压V rrf表示为:
[0060] Vref = VDD-Rm3[ (αιι+α2?+α3?)Τ+(α!2+α22+α32)Τ2+α33Τ3] (13)
[0061] 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,以实现任意阻 值,从而根据变容二极管的特性,调苄基准电压Vrrf的大小。
[0062] 进一步地,上述基准电压的温度特性没有考虑忆阻器的温度特性,实际中,忆阻器 是有温度特性的,考虑了忆阻器的温度特性后,基准电压可以表示为:
(14)
[0063]
[0064] 上式表明,忆阻器的温度特性只会对非线性电流的温度特性有影响,却不会对 PTAT电流和CTAT电流的温度特性产生影响,而非线性电流对温度呈指数型关系,其一次项 系数、二次项系数、三次项系数相比忆阻器的温度特性的系数比较大,故忆阻器的温度特性 对基准电压的影响可以忽略。
[0065]综上,本发明一种用于晶体振荡器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_Rml、Cont_Rm2、Cont_R m3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。
[0066]本发明的有益效果为: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;没有采用分段补偿的方式,电路结构简单,成本 低;不需要RAM和PR0M写入参数调节补偿电压的系数,不需要单独的温度传感器,不需要热 敏电阻和固定电阻网络,易于小型化和集成化。
【附图说明】
[0067]图1是本发明一种用于晶体振荡器的温度补偿电路工作的原理框图;
[0068]图2是本发明一种用于晶体振荡器的温度补偿电路的电路图;
[0069]图3是在控制信号Cont_Rml作用下改变Rml对基准电压温度系数和低温段零温系数 点影响的仿真结果;
[0070] 图4是在控制信号Cont_Rm2作用下改变Rm2对基准电压温度系数和低温段零温系数 点影响的仿真结果;
[0071] 图5是改变控制信号Cont_NL的控制字对基准电压温度系数和高温段零温系数点 影响的仿真结果。
【具体实施方式】
[0072] 下面结合图1和图2给出本发明的一种用于晶体振荡器的温度补偿电路的具体实 施例。需要说明的是,该实施例只是为了解释本发明,并不是对本发明的限制。
[0073] 图1是本实施例提供的一种用于晶体振荡器的温度补偿电路工作的原理框图,温 度补偿电路在控制信号Cont_Rml、Cont_R m2、Cont_Rm3和Cont_NL作用下,产生大小、一次项系 数、二次项系数以及三次项系数可调的基准电压Vref,该电压控制晶体振荡器中变容二极管 的容值,从而补偿晶体振荡器的振荡频率因为温度变化产生的偏移。
[0074] 图2是本实施例一种用于晶体振荡器的温度补偿电路的电路结构,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。
[0075]启动电路包括P型M0S管MS1、MS2以及电容CUMS1的栅接VA,漏接MS2的栅,源接电 源VCC,MS2的栅接MSI的漏和电容C1的正端,源接电源VCC,漏接丽1的栅,电容C1的正端接 MS2的栅,负端接地电位。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。电源上电瞬间,MS2开启,向丽1 的栅节点输入电流,从而MN2导通,产生电流,当可调的PTAT电流源启动完成时,MS 1检测到 MP1的栅电位上升,MSI导通后会使MS2的栅电位上升,上升到MS2的栅源电压约等于MS2的阈 值电压时,MS2关闭,启动完成,此后启动电路不消耗电流,且不会对可调的PTAT电流源产生 影响。
[0076] 可调的PTAT电流源包括4个P型M0S管,分别为MP1、MP2、MP3和]\^4,4个~型]\?)3管,分 别为丽1、丽2、丽3和MN4以及忆阻器网路Rml(3MPl的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,MP1的源接电源VCC ;MP2的源与忆阻器网络Rml的一端相连,漏接MP4的 源;MP3和MP4的栅接在一起,源分别与MP1和MP2的漏相连,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、MP4的衬底都接电 源VCC;忆阻器网路R ml的另一端接电源VCC; N型M0S管丽1、丽2、丽3和MN4构成共源共栅电流 镜,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; 丽3和MN4的栅相连,且接MN4的漏,丽3和MN4的源都接地电位;丽1、丽2、丽3、丽4的衬底都接 地电位。
[0077] 进一步地,P型M0S管MP1、MP2和忆阻器网络Rml产生正温系数的电流,即PTAT电流;P 型M0S管MP3和MP4组成电流镜,保证Va和VB相等,提高PTAT电流源的精度;N型M0S管MN1、MN2、 丽3、MN4组成共源共栅电流镜做负载,共栅管丽1和丽2有效隔离了电源电压的波动,提高了 可调的PTAT电流源的PSRR。
[0078] 进一步地,所述MP1和MP2工作在亚阈区,用于产生PTAT电压,其个数比为1:N,即 MP1由1个单元的M0S管组成,MP2由N个单元的M0S管并联组成,则其宽长比为:(W/L)mpi : (W/ L)mp2 = 1:N(N彡2)。由于MP1和MP2是由不同个数相同单元的M0S管组成,其阈值电压相同。 MN1 和MN2以及MN3和MN4的宽长比分别为:(W/L)mni : (W/L)mn2 = 1:1,(W/L)mn3 : (W/L)mn4= 1:1, 保证了 MP1和MP2的电流相等,且都为PTAT电流。利用工作在亚阈区的M0S的电流-电压的指 数关系以及电路的连接关系,该PTAT电流表不为:
Γ ? (15)
[0079] 1 其中,αη是PTAT电流的一次项系数。
[0081] 可调的PTAT电流源产生大小和一次项系数不同的PTAT电流通过以下方法实现:忆 阻器网络Rml是由mXn个忆阻器组成,内部带有擦写电路,通过控制信号Cont_Rml的控制,实 现任意阻值,从而调整PTAT电流的斜率an,改变基准电压V ref的温度系数和低温段零温度系 数点。图3是单独改变忆阻器网络Rml的阻值(±5%)对输出的基准电压V ref的温度系数和低 温段零温度系数点影响的仿真结果,仿真结果表明,Cont_Rm^号对基准电压V ref的控制作 用明显。
[0082]实际中,由于半导体工艺生产过程中的非理想因素,会导致M0S管的失配。考虑MP1 和MP2不匹配以及VA和VB不相等导致的非线性特性,PTAT电流表示为:
[0083] ΙρτΑτ=αιιΤ+αι2Τ2 (16)
[0084] 其中,α12是PTAT电流的二次项系数,其值相比αη比较小。
[0085] 所述可调的CTAT电流源包括Ρ型M0S管ΜΡ5和ΜΡ6,Ν型M0S管ΜΝ5、ΜΝ6、ΜΝ7和ΜΝ9,运 放0ΡΑ以及忆阻器网络1 2。1^5的栅漏以二极管形式接在一起,且接运放0ΡΑ的同相输入端, 源和衬底接电源VCC;MP6的栅接运放0ΡΑ的输出端,源接运放0ΡΑ的反相输入端,且与忆阻器 网络Rm的一端相连;忆阻器网络Rm的另一端与电源VCC相连;MN5和MN6栅分别接MN2和MN4 的栅,丽5的源接MN6的漏,漏接MP5的漏,MN6的源接地电位;丽7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; 丽5、丽6、丽7、MN9的衬底都接地电位;MP5、运放0ΡΑ和忆阻器网络R m2产生CTAT电流,丽5和 丽6组成电流镜镜像PTAT电流给MP5提供直流偏置,丽7和丽9组成电流镜做MP6的负载且输 出CTAT电流。
[0086] 进一步地,上述的P型M0S管MP5工作在亚阈区,用于产生CTAT电压。对于工作在亚 阈区的M0S管,当其电流为固定值时,其栅源电压Vsg5具有负的温度系数,一般为-2mV/°C~-lmV/°C,具体与MP5的偏置情况相关。该实施例中,MP5用PTAT电流偏置,由于PTAT电流有较 小的正温度系数,导致Vsg5的负温系数比_2mV/°C~-lmV/°C略小。对于理想的运放,其增益 无穷大,由其"虚短"特性知,同相输入端和反相输入端的电位相等,即:
[0087] Vin+ = Vin- (17)
[0088] 由于MP5的源端和忆阻器网络Rm2的一端都接相同的电源VCC,故忆阻器网络Rm2两 端的电压是V sg5,所以流过忆阻器网络的电流是Vsg5/Rm2。由于Vsg5具有负的温度系数,忽略 Rm2的温度系数时,流过忆阻器网络Rm2的电流也具有负的温度系数,表示为:
(18)
[0089]
[0090]其中,α21是CTAT电流随温度变化的一次项系数。
[0091] 所述可调的CTAT电流源产生大小和一次项系数不同的CTAT电流通过以下方法实 现:忆阻器网络Rm2是由mXn个忆阻器组成,内部带有擦写电路,通过控制信号Cont_Rm2的控 制,实现任意阻值,从而调整CTAT电流的斜率α21,改变基准电压Vref的温度系数和低温段零 温度系数点。图4是单独改变忆阻器R m2的阻值(±5%)对输出的基准电压Vref的温度系数和 低温段零温度系数点影响的仿真结果,仿真结果表明,Cont_R m2信号对基准电压Vref的控制 作用明显。
[0092]考虑Vsg5由于偏置电流的温度特性,运放0ΡΑ失调等引起的非线性以及自身的非线 性,则CTAT电流可以表示为:
[0093] ΙοτΑΤ=α2?Τ+α22Τ2 (19)
[0094] 其中,α22是CTAT电流随温度变化的二次项系数,其值相比α21比较小。
[0095] 可调的非线性电流源包括Ml~Mk的k个Ν型M0S管,SW1~SWk的k个选择开关以及译 码器S组成。Ml~Mk的k个N型M0S管的栅端与源端分别相连,漏端分别与SW1~SWk的开关的 一端相连,所有开关的另一端接一起,译码器S的输出信号Cont_l~Cont_k*别控制SW1~ SWk的开关,译码器的输入接控制信号Cont_NL。
[0096] 进一步地,Ml~Mk的k个N型M0S管工作在亚阈值区,其电流是非线性电流,表示为: (20)
[0097]
[0098] 其中,IMk是流过M0S管Mk的电流,μ是载流子迀移率,是栅氧化层单位面积电容, W是沟道宽度,L是沟道长度,II是亚阈倾斜因子,q是电子电量,k是玻尔兹曼常数,T是绝对温 度,Vth是Mk的阈值电压。该电流是温度的非线性函数,将该电流用泰勒级数展开到三阶项, 忽略高阶项,则该非线性电流表示为:
[0099] INL = a31T+a32T2+a33T3 (21)
[0100] 其中,a31是非线性电流INL随温度变化的一次项系数,a32是非线性电流I NL随温度变 化的二次项系数,a33是非线性电流Inl随温度变化的三次项系数。
[0101 ] 进一步地,Ml~Mk的k个N型M0S管中,Ml由1个单元组成,M2由两个单元并联组成, Mk由k个单元并联组成,它们的宽长比满足:(W/L)mi:(W/L)m2: . . . :(W/L)Mk=l:2: . . . :k。由 于Ml~Mk都是由相同的单元并联组成的,其阈值电压相同,则流过Ml~Mk的电流比满足: Imi:Im2: · · · :lMk=l:2: · · · :k〇
[0102] 所述非线性电流源产生大小、一次项系数、二次项系数和三次项系数分别可调的 非线性电流通过以下方式实现:在不同的控制字Cont_NL作用下,译码器S的输出信号Cont_ 1~&3111:_1^在任意时刻只有一个信号有效,从而开关SW1~SWk在任意时刻只有一个打开,所 以该时刻只有Ml~Mk中的一个M0S管的非线性电流可以输出。改变译码器S的输入信号 Cont_NL的控制字,则可以改变开关的控制信号Cont_l~Cont_l^^有效性,从而改变输出的 非线性电流的大小和温度系数。图5是单独改变控制信号Cont_NL的控制字对输出的基准电 压V ref的温度系数和高温段零温度系数点影响的仿真结果,仿真结果表明,Cont_NL信号对 基准电压Vref的控制作用明显。
[0103] 电流求和模块包括N型M0S管丽8、1^10、1^11以及丽12。丽8的栅接丽7的栅,源接 丽10的漏,漏接丽11的漏;MN10的栅接MN9的栅,源接地电位;MN9和MN10组成电流镜镜像 CTAT电流。同理,MN11和MN12组成电流镜镜像PTAT电流,丽11的栅接MN2的栅,源接丽12的 漏,丽12的栅接MN4的栅,漏接MN8的漏,源接地电位;丽8、丽10、丽11、丽12的衬底都接地电 位;同时MN8的漏和MN11的漏相连,且接可调的非线性电流源中开关的另一端,形成基准电 流,该电流可以表示为:
[0104] Iref = Iptat+Ictat+Inl= (an+a2i+a3i)T+(ai2+a22+ci32)T2+a33T3 (22)
[0105] 可调的电流-电压转换器包括mXn个忆阻器组成的忆阻器网络Rm3。忆阻器网络R m3 的一端接电源VCC,另一端接MN8的漏,也是基准电压的输出端。该基准电压表示为:
[0106] Vref = Vdd-Rhi3[ (aii+a2i+a3i)T+(ai2+a22+a32)T2+a33T3] (23)
[0107] 由于忆阻器网络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,调苄基准电压的大小。该基准电压对温度呈三次方函数 关系,通过控制信号调节该基准电压各次项的系数,实现对晶体的振荡频率因温度变化产 生的偏移补偿,提高晶振电路的温度稳定度。
[0108] 上述基准电压的温度特性没有考虑忆阻器网络的温度特性,实际中,忆阻器网络 是有温度特性的,考虑了忆阻器网络的温度特性后,基准可以表示为:
「 1 (24)
[0109]
[oho]上式表明,忆阻器网络的温度特性只会对非线性电流的温度特性有影响,却不会 对PTAT电流和CTAT电流的温度特性产生影响,而非线性电流对温度呈指数型关系,其一次 项系数、二次项系数、三次项系数相比忆阻器的温度特性的系数比较大,故忆阻器的温度特 性对基准电压的影响可以忽略。
[0111] 图3、图4和图5表明,控制信号Cont_Rml、Cont_Rm2、Cont_NL对输出的基准电压V ref 的温度系数和高低温零温度系数点的调节作用明显,从而根据不同晶体的频率-温度特性 调节该基准电压的温度特性,控制方式简单,不需要用参数写入RAM和PR0M的方式调苄基准 电压的温度系数,节省了成本。
【主权项】
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MSI、MS2以及电容Cl;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; MS 1的栅接Va,漏接MS2的栅,源接电源VCC,MS2的栅接MS 1的漏和电容Cl的正端,源接电 源VCC,漏接MNl的栅,电容Cl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MPl、MP2、MP3和MP4,4个N型MOS管,分 别为丽1、丽2、丽3和丽4以及m X η个忆阻器组成的忆阻器网络Rml,m> I,η > I; Rml内部带有 擦写电路,通过控制信号Cont_Rml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Rml的一端相连,漏接MP4的源;MP3和MP4的栅接在一起,漏分别与丽1 和丽2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,MPl、 MP3和MP4的衬底都接电源VCC;忆阻器网络Rml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MM的漏;MN3和MM的栅相连,且接MN4 的漏,丽3和MM的源都接地电位;丽1、丽2、丽3和MM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mXn个忆阻器组成的忆阻器网络12,!11>1,11>1;1^2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Rm的另一端与电源VCC相连;MN5和MN6栅分别接MN2和MM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;丽9的栅漏接一起且与丽7的源相连,源接地电位;丽5、丽6、丽7和丽9的 衬底都接地电位; 所述可调的非线性电流源由Ml~Mk的k个N型MOS管,SWl~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MO S管的栅端与各自的源端分别相连,漏端分别与SW1~S Wk的选择开 关的一端相连,衬底都与地电位相连;SWl~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_l~Cont_k*别控制SWl~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管丽8、丽10、丽11以及丽12;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; 丽7、MN8、丽9和丽10组成共源共栅电流镜镜像CTAT电流,丽8的栅接MN7的栅,源接MNlO 的漏,漏接MNl 1的漏;丽10的栅接丽9的栅,源接地电位;同理,丽2、丽4、丽11和丽12组成共 源共栅电流镜镜像PTAT电流,丽11的栅接丽2的栅,源接丽12的漏,丽12的栅接MN4的栅,漏 接MNl 1的源,源接地电位;丽8、丽10、丽11和丽12的衬底都接地电位,同时MN8的漏和丽11的 漏相连,且接非线性电流的输出端,形成基准电流Irrf; 所述可调的电流-电压转换器包括mXn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R m3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,调苄基准电压V rrf的大小。2. 如权利要求1所述一种用于晶体振荡器的温度补偿电路,其特征在于:所述MPl和MP2 工作在亚阈区,其个数比为I :N,即MPl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)mpi:(W/L)mp2 = 1:N(N彡2);流过MPl和MP2的电流相等,且都为 PTAT电流,表示为: ΙΡΤΑΤ = α12Τ+α?2Τ2 (6) 其中,Iptat是PTAT电流,αη是PTAT电流的一次项系数,α12是PTAT电流的二次项系数。3. 如权利要求1所述一种用于晶体振荡器的温度补偿电路,其特征在于:所述P型MOS管 ΜΡ5工作在亚阈区,用于产生CTAT电压,该电压降在忆阻器网络Rm2两端产生CTAT电流,具体 为: IcTAT = ci2iT+a22T2 (7) 其中,Icm是CTAT电流,a21是CTAT电流随温度变化的一次项系数,a22是CTAT电流随温度 变化的二次项系数。4. 如权利要求1所述一种用于晶体振荡器的温度补偿电路,其特征在于:所述Ml~Mk的 k个N型MOS管工作在亚阈值区,其电流是非线性电流,具体为: lMk = Cl3lT+a32T2+a33T3 (9) 其中,IMk是流过MOS管Mk的电流,a31是非线性电流IMk随温度变化的一次项系数,Ct 32是非 线性电流Ifc随温度变化的二次项系数,a33是非线性电流IMk随温度变化的三次项系数。5. 如权利要求1所述一种用于晶体振荡器的温度补偿电路,其特征在于:所述译码器S 的输出信号Cont_l~(:〇的_1^在任意时刻只有一个信号有效,从而开关SWl~SWk在任意时刻 只有一个打开,所以该时刻只有Ml~Mk中的一个MOS管电流可以输出,形成非线性电流,即: lNL = a3iT+a32T2+a33T3 (11)。6. 如权利要求1所述一种用于晶体振荡器的温度补偿电路,其特征在于:最终输出基准 电压Vrrf为: Vref = VD『Rm3[ (ail+a21+a31)T+(ai2+a22+a32)T2+a33T3] (13)。
【文档编号】H03H9/19GK105932976SQ201610353344
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】刘洋, 高宝玲, 徐振涛, 郭睿, 王俊杰, 雷旭, 于奇
【申请人】电子科技大学
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