带温度补偿的高性能电压控制晶体振荡器电路的制作方法
【专利摘要】一款高线性度、低相位噪声带温度补偿的高性能电压控制晶体振荡器电路。包括电压控制晶体振荡器、低压差线性稳压器、电流镜、振荡器偏置电流修调网络、温度补偿模块。本发明中可变电容采用新型结构，使得电压控制晶体振荡器VCXO的电压?频率特性具有较高的线性度。振荡器偏置电流修调网络可适当调节振荡器的偏置电流，得到最小相位噪声的输出频率。温度补偿模块补偿VCXO的温度偏移，使得VCXO的电压?频率特性曲线在不同的温度下重合。发明的高线性度、低相位噪声带温度补偿的高性能电压控制晶体振荡器可用在高精度温度补偿晶体振荡器中。
【专利说明】
带溫度补偿的高性能电压控制晶体振荡器电路
技术领域
[0001] 本发明集成电路设计领域，具体设及一种带溫度补偿的高线性、低相位噪声的电 压控制晶体振荡器电路。该电路应用于溫度补偿晶体振荡器中，可提高频率稳定度、降低相 位噪声。
【背景技术】
[0002] 溫度补偿晶体振荡器作为高稳定度的频率源广泛应用于各类便携式电子产品，军 用无线电设备，航空航天等定时、定位设备中。国内对于溫度补偿晶体振荡器的研究还处于 初级阶段，和国外存在较大差距。开展对溫度补偿晶体振荡器的研究有助于打破国外垄断， 推动国内精密频率源的发展。
[0003] 典型的溫度补偿晶体振荡器的结构如图1所示。溫度传感器产生和溫度成线性关 系的电压。补偿电压产生模块产生近似Ξ阶补偿电压。带溫度补偿的电压控制晶体振荡器 VCX0产生和控制电压成线性关系的振荡频率。溫度传感器电路、补偿电压产生电路和带溫 度补偿的VCX0电路都需要进行修调，所W需要EEPR0M。
[0004] AT切石英晶体的频率-溫度特性可近似用Ξ阶多项式来表示：
[0005]
。）
[0006] 其中Δf(T)=f(T)-fo，f(T)代表在溫度T时的振荡频率，fo代表在溫度To时的振荡 频率。A3和Ai代表和切角有关的多项式系数，To代表转变点溫度。
[0007] 带溫度补偿的V巧0的特性可W表示为：
[000引
（2)
[0009] 其中 Af(VC)=f(VC)-f(VC〇)，AVC = VC-VC〇，a是VCX0的增益，VC是VCX0的控制电 压，VCo是中屯、点电压。A VC和溫度T之间的关系可W表示为：
[0010] AVC(T)=B3(T-T〇)3+Bi(T-T〇) (3)
[ocm]其中Β3 = -Α3/α，Βι = -Αι/α。所W溫度补偿晶体振荡器要输出高稳定度的振荡频 率，VCX0的电压-频率特性必须具有非常高的线性度，且VCX0的增益α不能随溫度变化。而且 VCX0的相位噪声直接影响溫度补偿晶体振荡器的相位噪声。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的在于提供一种高线性度、低相位噪声的带溫度补偿的电压控制晶体 振荡器电路，W解决上述技术问题。
[0013] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0014] -种高线性度、低相位噪声、带溫度补偿的电压控制晶体振荡器电路，包括低压差 线性稳压器模块、电流镜模块、电压控制晶体振荡器模块、振荡电流修调模块、调谐电容网 络和溫度补偿模块，如图2所示。
[0015] 电压控制晶体振荡器模块接电流镜模块和溫度补偿模块。低压差线性稳压器模块 产生高稳定度、低噪声的电压，该电压作为整个电压控制晶体振荡器的电源电压。电流修调 网络接电流镜模块，提供振荡器的偏置电流。
[0016] 振荡电流修调电路由屯个电流支路组成，如图3所示。参考电流源Iref的一端接 VDD，另一端接Q0的集电极和MC的栅极。Q0的基极接MC的源极，MC的漏极接电源VDDdQO的发 射极接电阻R0，R0的另一端接地。Q0和R0的串联可W提高电流镜复制电流的精度。Q0的基极 电压作为电流镜的偏置电压。Q1和R1串联，R1的另一端接地，Q1的基极接Q0的基极。M0、MN0 作为M0S开关，控制电压分别为Do、:^，由邸PROM产生。MO的漏极接Q0的基极，MO的源极接Q2 的基极。后面的四条电流支路和Q2所在的支路结构相同。Q1的集电极、Q2的集电极、Q6的集 电极等等接在一起。
[0017] 调谐电容网络包括固定电容、修调电容和可变电容，如图4所示。固定电容的一端 接地，另一端和可变电容、修调电容连接。修调电容由六个支路组成，每个支路具有相同的 结构。电容CbankN(N=0，l. . .5)和M0S开关DN(N=0，1. . .5)串联。可变电容MC的源极和固定电 容、修调电容连接，MC的漏极开路，MC的栅极接控制电压VC。图5是可变电容的等效电路。
[001引在没有溫度补偿的情况下，VCX0的电压-频率特性随溫度变化，如图6所示。增加溫 度补偿电路可W改善V巧0的溫度特性。溫度补偿电路如图6所示。Vrc为参考电压，VC/为控制 电压，Vt-to为溫度传感器的输出电压。Vc_ouT为溫度补偿电路的输出电压，接到可变电容的栅 极。
[0019] 本发明采用的可变电容为一种新型可变电容，由漏极断路的M0S管实现，利用该可 变电容制作的VCX0的电压-频率特性具有极高的线性度。本发明为常用的VCX0电路增加振 荡电流修调模块，可W适当调节振荡电流，得到相位噪声最小的输出频率。本发明为常用的 VCX0电路增加溫度补偿模块，可W改善VCX0的溫度特性，使得该VCX0非常适合应用于高稳 定度的溫度补偿晶体振荡器中。
【附图说明】
[0020] 图1为溫度补偿晶体振荡器的结构示意图；
[0021 ]图2为带溫度补偿的高性能V巧0结构示意图；
[0022] 图3为振荡器振荡电流修调电路；
[0023] 图4为调谐电容网络；
[0024] 图5为可变电容的等效电路；
[0025] 图6为不同溫度下V巧0的电压-频率特性；
[0026] 图7为V巧0的溫度补偿电路；
[0027] 图8为带补偿电路的V巧0的电压-频率特性；
【具体实施方式】
[002引本发明是一款高线性度、低相位噪声带有溫度补偿的电压控制晶体振荡器。利用 该电路可W产生低相位噪声的输出频率，该VCX0的电压-频率特性具有极高的线性度，且不 随溫度而变化。
[0029] 请参阅图2,低压差线性稳压器产生高稳定度的电压作为该VCX0的电源电压。电流 镜模块作为连接电流修调网络和电压控制晶体振荡器的桥梁，使得振荡器的偏置电流由电 流修调网络控制。工作时，设置适当的偏置电流，可W得到最佳的振荡幅度，进而使得振荡 器输出频率的相位噪声最小。溫度补偿模块可W补偿电压控制晶体振荡器的电压-频率特 性随溫度变化的情况。
[0030] 具体的振荡器振荡电流修调电路如图3所示。参考电流源Iref的一端接VDD，另一 端接Q0的集电极和MC的栅极。Q0的基极接MC的源极，MC的漏极接电源VDD。Q0的发射极接电 阻R0，R0的另一端接地。Q0和R0的串联可W提高电流镜复制电流的精度。Q0的基极电压作为 电流镜的偏置电压。后面Q1、Q2. . .Q6所在的支路和Q0所在的支路组成电流镜结构。Q1、 Q2. . .Q6的集电极接在一起，输出电流为流过运六条支路的电流和。Miα =0,1. . .4)和MNi 作为MOS开关，栅极控制电压Do、瓦的相位相反。栅极控制电压的极性可W通过邸PROM控制。 当不同的开关打开时，输出的总电流Ibias不同。通过控制振荡器偏置电流的大小，可W得 到相位噪声最小的输出频率。
[0031] 调谐电容网络如图4所示，包括固定电容、修调电容和可变电容。固定电容的一端 接地，另一端和可变电容、修调电容连接。修调电容由六个支路组成，每个支路具有相同的 结构。电容CbankN(N = 0，l. . .5)和M0S开关DN(N = 0，1. . .5)串联。M0S开关的栅极电压由 邸PROM控制。当接入电路中修调电容的个数不同时，振荡器的输出频率也不同。可变电容MC 的源极和固定电容、修调电容连接，MC的漏极开路，MC的栅极接控制电压Vc。可变电容可等 效成一个对地的电容，控制端不接到振荡电路中，如图5所示。随着控制电压Vc的升高，可变 电容MC的电容值增大，振荡频率下降。
[0032] 参阅图6,在控制电压相同的情况下，溫度越低频率越高;在溫度相同的情况下，控 审IJ电压越高频率越低。所W可W考虑对控制电压Vc进行整形，当溫度降低时，VCX0的直接控 制电压升高。运样就可W实现VCX0在整个溫度范围内表现出相同的电压-频率特性。具体的 理论分析如图6所示。图6中的两条斜线分别是溫度T1和溫度T2时的电压-频率特性曲线，且 Τ2>Τ1。在电压为VC/时，两个溫度下的频率分别为η和f2,定义运两个溫度的变化为ΔΤ = Τ2-Τ1，频率变化为A f = f 2-f 1，那么单位溫度下的频率变化可W表示为
[0033]
(4)
[0034] 其中Af<〇, ΔΤ>0,所WK1为负值。单位电压下的频率变化可W表示为：
[0035]
(5)
[00%] 其中，Δ f/ <0, Δ VC^〉0,所WK2也为负值。要实现溫度补偿,化须有Δ f = - Δ f',
即：
[0037]
[003引整理，可得；
[0039]
(7)
[0040] 其中Kc是负值，代表VCX0溫度补偿的电压系数。
[0041 ] V巧0的溫度补偿电路如图7所示，则可W得到输出电压Vcj]uT的表达式：
[0042]
[0043] Vc_ouT是VCXO的直接控制电压。由式(8)可W看出Vc_ouT和溫度Τ成线性关系。通过合 理设置电阻R1、R2、R3和R4的值可W得到合适的一次项系数。增加溫度补偿模块之后，VCX0 的电压-频率特性在不同溫度下的结果如图8所示。
【主权项】
1. 一种高线性度、低相位噪声带温度补偿的高性能电压控制晶体振荡器电路。其特征 在于包括低压差线性稳压器电路、电流镜电路、振荡器偏置电流修调网络、电压控制晶体振 荡器和温度补偿电路。2. 根据权利要求1所述的一种高线性度、低相位噪声带温度补偿的高性能电压控制晶 体振荡器电路。其特征在于，利用低压差线性稳压器的输出电压作为振荡器的电源电压，可 以降低振荡器输出频率的相位噪声。3. 根据权利要求1高线性度、低相位噪声带温度补偿的高性能电压控制晶体振荡器电 路。其特征在于，利用电流修调网络和电流镜结构调节电压控制晶体振荡器的偏置电流，使 得振荡幅度最优，相位噪声最小。电流修调网络的输出电流和电压控制晶体振荡器的偏置 电流通过电流镜相连，两个支路的电流成倍数关系。4. 根据权利要求1高线性度、低相位噪声带温度补偿的高性能电压控制晶体振荡器电 路。其特征在于，电压控制晶体振荡器的可变电容采用新型可变电容。电压控制晶体振荡器 的电压-频率特性具有极高的线性度。5. 根据权利要求1高线性度、低相位噪声带温度补偿的高性能电压控制晶体振荡器电 路。其特征在于，增加温度补偿模块可以改善电压控制晶体振荡器的电压-频率特性随温度 的变化。 控制电压Vrc由基准电路产生的参考电压，通过R3接到运放的负输入端。R4接在运放的 负输入端和输出端。控制电压VC/通过R1接到运放的正输入端。温度传感器的输出电压Vt-to 通过电阻R2接到运放的正输入端。
【文档编号】H03B5/04GK106059498SQ201610443932
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】李国峰, 林长龙, 郭振义, 徐华超, 孙欣茁, 陈瑶, 孟祥刚, 王郁杰
【申请人】南开大学